低温贮箱连接支撑结构优化设计

庄方方,吴胜宝,闫指江,董晓琳,张展智

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京100076)



低温贮箱连接支撑结构优化设计

庄方方,吴胜宝,闫指江,董晓琳,张展智

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京100076)

摘要：低温贮箱间的连接支撑结构是导致贮箱漏热的主要原因之一。采用低热导率的材料、减小结构与贮箱连接部位的接触面积可以减少低温贮箱间的漏热。对低温贮箱连接支撑结构设计进行了初步研究，分别设计了V型和X型杆系连接支撑结构，给出了结构设计的基本参数，并对每种构型的强度、连接结构的热流量和失稳情况进行了分析；在相同质量的情况下，对壳段连接支撑结构也进行了分析，对比了杆系和壳段两种结构形式的总热流量，指出：杆系结构的总热流量更低，杆系连接支撑结构形式更优。

关键词：低温贮箱；连接支撑结构；优化；强度；热流量

1 引言

低温推进剂具有比冲高、无毒无污染的特性,采用低温推进剂可以有效降低飞行器规模,在一次性使用运载器和可重复使用运载器上得到了广泛应用［1］。然而由于液氢、液氧的沸点很低(分别为-253℃和-183℃),易于蒸发且二者沸点不同,当低温推进剂长期在轨贮存时,在氧箱、氢箱与其他部件以及贮箱之间存在持续的传热,导致箱内氢氧温度上升,蒸发量加大,难以满足航天器长期在轨要求［2-3］。

随着航天运载技术的不断发展,低温贮箱的连接支撑结构作为低温贮箱设计中的关键部分,其相关研究也成为一个值得关注的领域。美国NASA的研究人员在不断的探索中发现,虽然通过支撑结构的漏热量只有十分之几瓦,但对其研究仍具有重要意义,因为在深空探测器上20 K低温制冷机的卡诺循环和机械效率都很低,分别为10%和2%,也就是说消耗50 W的电功率只移除0.1 W的热量。显然降低低温贮箱的漏热量对于低温贮箱推进剂贮存具有很重要的意义［2-4］。

低温贮箱连接支撑结构由于要承受飞行阶段和在轨贮存时各种载荷作用,所以作为支撑结构的构件必须具有高强度,同时为满足漏热的要求,其热导率还要低。因此,需要对低温贮箱连接支撑结构进行合理的设计以满足强度和传热等要求。

常温贮箱连接支撑结构由于没有低热导率要求,一般采用铝合金材料,而低温贮箱连接支撑结构多采用低热导率的纤维复合材料,纤维复合材料具有良好的可设计性,因此性能优势十分明显。根据有关文献可知,纤维复合材料低温下的力学性能均比常温时有明显提高,材料热导率也随着温度的降低而减小,是适用于低温应用的工程结构材料［5］。因此,本文在调研多种纤维复合材料的基础上,采用碳纤维复合材料对低温贮箱连接支撑结构进行了优化设计。

2 低温贮箱连接支撑结构设计

箱间段是连接氧化剂箱和燃料箱的主要承力结构,由于低温液氢箱和液氧箱之间存在温度差,贮箱连接支撑结构长期在轨时会向温度更低的液氢贮箱持续传递热量。为了减少通过贮箱连接支撑结构的导热,通常采用热导率低的材料及减小构件的横截面积等方法减少机械构件的漏热。经调研国外贮箱连接结构设计形式多采用杆系或桁架式结构,如德尔塔IV、H-2A、DM3上面级和Titan探测器等［6］。为满足低温贮箱连接支撑结构总漏热量低、强度高的要求,本章对某运载火箭贮箱连接支撑结构进行了结构设计,设计了复合材料杆系结构和壳段结构,并根据计算结果对低温贮箱连接支撑结构进行了优化。

2.1 杆系结构

2.1.1 杆系结构设计

为达到降低贮箱连接支撑结构漏热量的目的,本文采用管状杆系连接支撑结构,考虑V型和X型两种结构形式,如图1所示。对每种结构形式,分别设计了V型10杆、V型20杆、X型16杆和X型24杆结构,并比较了各结构热流量值。

图1 贮箱连接支撑结构形式示意图Fig.1 Connection strut of tanks

根据贮箱连接支撑结构承载情况,采用Nastran软件建立有限元模型［7］,分别对连接支撑结构进行轴向拉伸、轴向压缩强度分析和屈曲分析。结构形式及计算结果如表1所示。由仿真结果可知,在保证结构不失稳,且屈曲因子相同的条件下,四种杆系结构形式均满足结构强度要求(拉伸强度为700 MPa,压缩强度400 MPa)。

表1 杆系结构形式及计算结果Table 1 Connection structure of bar type and the calculation results

2.1.2 热流量计算

根据傅立叶定律,单位时间内通过杆系的导热量与杆系两端的温度变化率及杆系面积成正比,设λ-为热导率,A为单根管状杆截面积,杆系由n根管状杆组成,R1为管状杆外半径,R2为管状杆内半径,杆长为l,杆系两端温度变化率为Δt,则通过杆系的总热流量可用式(1)表示［8］：

通过公式(1)可知：当各设计杆系结构的材料热导率和杆系两端温度变化率均相同时,杆系的总热流量只有杆系截面积和杆长有关。

通过以上计算可知,无论是V型还是X型设计方案均满足强度和稳定性要求。表2给出了以上各结构形式设计参数、体积及热流量。

表2 各结构形式设计参数、体积及热流量Table 2 Design parameters，volume and heat flux of each structure

由表2可知,在给定材料的情况下,以上四种设计方案中,V型20杆结构的杆系总体积最小,在相同材料密度条件下,总质量最轻、总热流量最小,是四种方案中的最优方案。

2.2 壳段结构

2.2.1 壳段结构设计

为比较杆系结构与壳段结构强度与总热流量,以壳段体积与V型20根杆的总体积相等为约束条件,对壳段连接支撑结构进行强度和稳定性分析。经计算,等体积条件下,壳段厚度δ＝0．0008 m。设计壳段连接支撑结构如图2所示。

图2 壳段连接支撑结构Fig.2 Connection strut of shell type

分别对壳段连接支撑结构进行轴向拉伸、轴向压缩强度分析和屈曲分析。在受压情况下,结构的应力云图如图3所示。最大von Mises应力为149 MPa,小于压缩强度。在该载荷作用下,计算求得屈曲因子为2.5,该结构也不会发生失稳。在受拉情况下,结构的应力云图如图4所示,最大von Mises应力为276 MPa,小于拉伸强度。

2.2.2 热流量计算

根据傅立叶定律,单位时间内通过壳段的导热热量与壳段两端的温度变化率及壳段横截面面积成正比,设λ-为热导率在t1～t2范围内的积分平均值,A为壳段的截面积,壳段两端温度变化率为Δt,则通过壳段的总热流量可用式(2)表示：

图3 受压情况下应力云图Fig.3 Press stress

图4 受拉情况下应力云图Fig.4 Pull stress

经推导,壳段横截面面积可以表示为x(壳段母线上点的位置)的函数,即式(3)：

其中壳段底角α为常数,如图5所示。

图5 壳段底角Fig.5 Bottom angle of shell type

3 结果对比分析

通过以上计算可知,无论是V型20杆杆系结构还是壳段连接结构均满足强度和稳定性要求。假定杆系结构和壳段结构使用同样的材料(密度相同),以两种设计方案设计的结构质量相等为约束条件,计算结果表明V型20杆结构的热流量较壳段连接结构低,在满足强度和稳定性的前提条件下,杆系结构设计方案较优。

4 结论

本文对低温贮箱连接支撑结构进行了杆系结构和壳段结构设计,并比较了不同结构强度及热流量,得出在杆系结构与壳段结构等质量的条件下,杆系结构较优的结论。在杆系结构中,在承受相同载荷的条件下,V型20杆结构总质量和总热流量最小,满足结构轻、强度大、热流量低的要求,结构形式最优。

参考文献（References）

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Optimization Design of Cryogenic Tank Connection Structure

ZHUANG Fangfang，WU Shengbao，YAN Zhijiang，DONG Xiaolin，ZHANG Zhanzhi
（China Academy of Launch Vehicle Technology Research＆Development Center，Beijing 100076，China）

Abstract：Connection structure between cryogenic tanks is one of the main reasons for the heat leak of tanks.Adopting low thermal conductivity material，decreasing connection area between the connection structure and the tank can reduce the heat leak between cryogenic tanks.Preliminary research on the design of cryogenic tank connection structure was given in the paper.The connection structure of V and X types was designed separately and the basic parameters of the structure design were obtained.The intensity of each type，the heat flux of the connection structure and the buckling factor were calculated and analyzed.With the same mass，the connection structure of shell type was also analyzed.Then the total heat flux of bar type and shell type were compared.The results showed that the total heat flux of bar type was lower.Therefore，the connection structure of bar type was better.

Key words：cryogenic tank；connection structure；optimization；intensity；total heat flux

作者简介：庄方方(1983-),女,博士,工程师,研究方向为航天运输系统载荷设计。E-mail：fonfonzh＠163.com

基金项目：载人航天预先研究项目(060301)

收稿日期：2015-05-17；修回日期：2016-02-15

中图分类号：V511＋.6；TU318

文献标识码：A

文章编号：1674-5825（2016）02-0160-04