货运飞船推进模块双法兰连接设计研究

李传吟,曹俊生,吴金花,李立春,查学雷

(上海宇航系统工程研究所,上海 201109)



货运飞船推进模块双法兰连接设计研究

李传吟,曹俊生,吴金花,李立春,查学雷

(上海宇航系统工程研究所,上海 201109)

为实现货运飞船相对独立的推进舱与推进模块的装配，采用贮箱模块化安装方式，对推进模块与推进舱间的连接形式进行了研究。根据货运飞船推进模块加注推进剂质量远高于神舟号飞船和天宫一号目标飞行器的状况，推进模块连接设计需在满足基频要求的前提下提高连接刚度，减小推进模块响应。设计了一种双层法兰的连接方案：采用上下两层法兰的连接形式增加连接点和增大连接面积，加强推进舱结构中间框的强度与刚度；用垫片调整安装间隙以解决双层法兰产生的过约束，减小装配应力。给出了构形、安装接口、T框和装配应力补偿等设计。用仿真和试验对推进模块连接方案进行了验证，结果表明：该连接形式满足飞行器的强度和刚度要求。推进模块双法兰连接设计为中国货运飞船推进舱的研制奠定了基础。

货运飞船； 推进舱； 推进模块； 连接； 双法兰； 安装接口； T框； 装配应力补偿

0 引言

2022年前后，我国将建成60 t级的空间站。在空间站运营阶段，需每年向空间站补充物资和推进剂，同时空间站还将产生大量废弃物。按照规划，我国使用货运飞船完成空间站物资补充、推进剂补加和废弃物离轨。在空间实验室任务中，我国将发射一艘货运飞船与空间试验室对接，验证推进剂在轨补加技术[1]。目前。国际空间站的货运系统主要有俄罗斯的进步号、欧洲的ATV和日本的HTV等飞行器，均采用了货物舱、推进舱(服务舱)两舱构型[2]。我国的货运飞船也将由货物舱、推进舱两个舱段构成。货物舱主要装载上行物资及空间站废弃物；推进舱作为飞行任务平台，主要配置推进、电源、测控通信和热控等平台设备，为飞行器提供动力、能源与通信功能，并装载空间站补加推进剂。

由于货运飞船推进舱需要通过贮箱携带大量推进剂进行空间机动和在轨补加，推进剂贮箱装载方式是货运飞船推进舱研制过程中需首先解决的问题。目前，我国已成功完成飞行试验的载人航天器主要包括神舟系列飞船和天宫一号目标飞行器，这两种飞行器的推进舱/资源舱推进剂贮箱均采用模块化安装方式，即贮箱与推进轨控发动机、气瓶、阀门、管路等推进分系统部件集中安装于推进模块结构上，组成相对独立的推进模块；推进模块再与推进舱结构进行装配，连接推进舱的机械、电、器、液接口，组成推进舱整体[3-4]。使用模块化的安装方式具有界面清晰的特点，推进舱与推进模块可独立进行总装、测试和试验，从而缩短研制周期；推进舱和推进模块相对独立，便于完成复杂的装配。货运飞船推进舱借鉴神舟系列飞船和天宫一号目标飞行器推进贮箱装载方法，采用贮箱模块化安装方式。本文对货运飞船推进舱与推进模块间的连接形式进行研究，介绍了一种双法兰连接设计方案，并通过仿真和试验对方案进行了验证。

1 问题描述

推进舱结构为蒙皮、桁条和框组成的全金属外承力筒形式。推进舱内分为两部分：上半部分作为仪器设备区，安装电子设备；下半部分为推进区，安装推进模块。推进分系统的推进模块上需要安装金属膜片式贮箱8个、增压气瓶8个、轨控发动机组，以及相关阀门、管路、电缆等组件。根据每艘货运飞船任务不同，8个贮箱推进剂装载量为2 400～3 500 kg，相应的货物舱质量为8 700～7 600 kg，使货运飞船总重为13.5 t，见表1。

为保证货运飞船自身及与运载火箭的频率不发生耦合，推进模块安装到推进舱后在不同推进剂加注状态下纵向频率均需低于25.6 Hz，且推进舱与货物舱结构组成的货运飞船主模态一阶纵向频率不小于20 Hz，横向频率不小于5.2 Hz。

表1 推进剂装载量

神舟号飞船和天宫一号目标飞行器推进模块加满推进剂质量分别为1 392，1 858 kg，推进模块与推进舱间通过1层法兰连接。货运飞船推进模块加注推进剂后质量最小3 300 kg，最大4 400 kg，远高于神舟号飞船和天宫一号目标飞行器。推进模块连接设计需在满足基频要求的前提下提高连接刚度，减小推进模块响应。若采用传统单法兰连接的形式则会产生结构安装框承力集中、推进模块响应过大的问题。对此，本文设计采用上下两层法兰的连接形式增加连接点和增大连接面积，加大推进舱结构中间框的强度与刚度；用垫片调整安装间隙以解决双层法兰产生的过约束，减小装配应力。

2 连接设计

2.1 构形

8个球形推进贮箱在推进舱内分上、下两层布置，每层氧化剂贮箱2个，燃烧剂贮箱2个。每一层的4个贮箱间用球冠形结构进行连接，球冠高度473 mm，在球冠中央设计承力筒和十字隔板对球冠进行加强，如图1所示。

图1 单层模块Fig.1 Single module

上下两层模块间通过十字隔板连接成为整体，每层模块均有与结构连接的法兰，形成了双法兰模块的形式，如图2所示。推进分系统的增压气瓶、阀门等部组件安装在两层法兰间的十字隔板上。两层模块连成一个整体，可缩小因推进剂装载量不同造成的模块基频变化范围[5]。

图2 推进模块Fig.2 Propulsion system module

图3 推进舱内布局Fig.3 Overall arrangement inside propulsion module

推进舱安装推进模块后，推进舱内布局如图3所示，推进舱上部900 mm高度空间为仪器设备区；推进舱底部2 300 mm高度空间为推进模块， 推进模块双层法兰与推进舱结构相连。

2.2 安装接口

推进舱结构为框桁铆接结构，中间框和桁条均设置在推进舱内壁，推进舱内可通过的包络为Φ2 640 mm。推进模块上下两层均设置安装法兰，法兰安装面外沿直径均为2 630 mm；推进舱结构内壁设置两个截面为T形的中间框(简称T框)。推进模块下层法兰上有Φ11 mm的通孔46个和Φ11.5 mm的销钉孔2个，上层法兰下表面均布M10螺母48个；推进舱结构下T框上表面均布M10螺母48个和Φ10.5 mm的销钉孔2个，上T框均布Φ11 mm的通孔48个；安装孔分度圆均为Φ2 590 mm。推进模块上的法兰与T框分别通过48个M10的钛合金螺栓连接，如图4所示。

图4 法兰与T框连接Fig.4 Connection between flange and T frame

推进主模块上层法兰和推进舱结构下层T框均设计成“齿”形，如图5所示。推进模块整体装配过程中，推进主模上层法兰的齿可穿过下层T框的缺口，从而保证模块上下法兰安装孔分布圆直径一致的情况下的通过性。

图5 推进模块上层法兰和下层T框Fig.5 Upper flange and lower T frame

2.3 T框

T框是推进模块连接安装平台，在飞行过程中均需承受较大的动载荷，受力情况较复杂，是推进模块连接设计的重要部分。对上层T框，为增加与舱体及推进补加模块的连接刚度，减小局部变形，在腹板与壁板间下方设计加强筋，筋厚度6 mm，有效长度90 mm。下层T框的截面同上层T框，缺口处通过加强筋进行局部补强。T框截面如图6所示。

图6 T框截面Fig.6 Cross section of T frame

2.4 装配应力补偿

图7 调整垫片Fig.7 Adjusting shim

3 仿真分析

3.1 强度分析

货运飞船上升段T框的最恶劣工况发生在推进剂质量最大状态，即推进模块质量4 400 kg，纵向过载13g、横向过载4g时。用ABAQUS软件对T框进行强度分析，采用体单元模拟T框局部，刚体单元模拟螺栓，边界条件为左右两端固支，有限元模型如图8所示。选择T框轴向力最大和周向力最大进行计算，其中：轴向力最大工况下的最大应力187 MPa，强度剩余系数1.12；周向力最大工况下的最大应力191 MPa，强度剩余系数1.10。计算结果表明T框强度满足使用要求。

图8 T框有限元模型Fig.8 Finite element model of T frame

3.2 模态分析

用MSC.Patran/Nastran有限元分析软件建立推进模块安装后的推进舱有限元模型，进行模态分析[6]。有限元模型如图9所示，其中：推进舱的蒙皮简化为板壳单元，中间框简化为空间梁单元，T框采用六面实体单元进行建模；推进模块结构主要使用板壳单元模拟，贮箱推进剂质量通过非结构质量模拟；货物舱作为集中质量配重，与推进舱上端框72处螺栓连接点通过刚性约束连接。

图9 推进舱有限元模型Fig.9 Finite element model of propulsion module

模拟发射状态，推进舱后端框固支，约束后端面的移动和转动自由度，进行推进舱模态分析。所得推进剂加注质量分别为2 400，3 500 kg两种状态的推进舱模态见表2。由表2可知：推进模块安装后一阶纵向最高为22.1 Hz，满足不大于25.6 Hz的要求。从结果中还可发现上下两层模块通过结构件连成一个整体后，推进剂加注量对推进模块纵向频率的影响小于1 Hz。

表2 推进舱模态

4 试验验证

用静力试验和振动试验对推进模块安装设计进行验证[7]。静力试验主要考核推进舱结构T框能否满足设计要求，并为校核强度计算结果和结构设计改进提供依据；振动试验考核推进模块安装方式和装配工艺的合理性，提前暴露研制中的问题[8]。

4.1 静力试验

静力试验中使用试验工装模拟推进模块安装接口对T框进行加载。试验时推进舱竖立放置， 两层T框均通过48个M10螺栓与推进模块模拟件连接，试验载荷直接作用在推进模块模拟件上，再通过拉杆、作动筒等系统竖直方向施加载荷，如图10所示。

图10 T框加载Fig.10 Loading on T frame

试验中使用载荷加载前以10%设计载荷为1级进行加载，使用载荷加载后以5%设计载荷为1级进行加载，最终加载至100%设计载荷(457.1 kN)。T框腹板、緣板和肋上各测点记录的应变分别如图11～13所示。试验结果显示：T框腹板应力最大值位于Ⅲ偏Ⅳ基准，为81.7 MPa；T框缘板上应力最大值位于Ⅳ象限，为121 MPa；T框肋上的应力较小，最大值出现在Ⅳ象限，为56.1 MPa。试验测得应力值均小于铝合金的许用应力，按屈服设计，T框强度剩余系数为1.64。

图11 T框腹板测量-加载曲线Fig.11 Stain-load curves of web plate of T frame

图12 T框缘板测量-加载曲线Fig.12 Stain-load curves of flange plate of T frame

图13 T框肋测量-加载曲线Fig.13 Stain-load curves of fib of frame

4.2 振动试验

振动试验产品使用的是结构热控推进舱，其所有结构件均为初样状态，除舱体安装有推进模块外，推进舱结构上还安装有其它单机，推进舱状态最接近真实发射状态，振动试验能真实反映推进舱的力学特性。

为全面考核推进模块安装后推进舱力学特性，推进舱按推进剂不加注、加注3 500 kg、加注2 400 kg三种态分别进行X、Y、Z三个方向的振动试验，各工况贮箱推进剂使用模拟液替代。每个方向的振动试验按导通级→特征级→验收级→特征级复振→鉴定级→特征级复振顺序进行。根据试验结果，可判断各测点验收级和鉴定级响应均满足环境试验条件要求，特征级曲线符合性好；根据特征级试验推进模块上测点的峰值响应(如图14所示)可推算出推进剂加注2 400，3 500 kg时推进主模块纵向一阶基频相应为24.52，24.03 Hz，与仿真结果接近并满足刚度要求。

图14 峰值曲线Fig.14 Peak curve

5 结束语

本文对货运飞船推进舱推进模块连接方式进行了研究。设计了一种推进模块双层法兰连接的方案，通过齿形法兰、调整垫片等方式解决了双层法兰通过性、过约束安装间隙调整等问题。通过仿真分析和试验对设计方案进行了验证。结果表明推进模块双法兰连接设计满足强度和刚度要求。推进模块的连接设计方案为货运飞船推进舱的顺利研制奠定了基础，同时可为大质量模块在航天器中的连接提供借鉴。

[1] 周建平. 我国空间站工程总体构想[J]. 载人航天, 2013, 19(2): 1-10.

[2] JORGENSEN C A. International Space Station evolution data book[R]. NASA/SP-2000-6109.

[3] 臧家亮. “神舟”号载人飞船推进分系统的研制[J]. 上海航天, 2003, 20(5): 5-10.

[4] 查学雷. 资源舱推进主承力模块总装结构改进设计[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2010.

[5] 李传吟. 变质量推进模块的安装设计与验证[C]// 2015年中国宇航学会学术年会. 北京: 中国宇航学会, 2016: 349-354.

[6] 刘兵山， 黄聪. Patran从入门到精通[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.

[7] 李兴乾. 载人航天器初样试验总体规划[J] . 航天器环境工程， 2011, 28(6): 578-582.

[8] 卫星工程系列编辑委员会. 卫星环境工程和模拟试验(上)[M]. 北京: 中国宇航出版社, 1993.

Study on Connection Design of Double Flanges for Propulsion System Module of Cargo Spaceship

LI Chuan-yin, CAO Jun-sheng, WU Jin-hua, LI Li-chun, ZHA Xue-lei

(Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201109, China)

To realize the assembling of independent propulsion module and propulsion system module of cargo spaceship, the fitting will adopt tank module. So the connection design of propulsion module and propulsion system module was studied in this paper. Because the propulsion mass of the propulsion system module for cargo spaceship is larger than those of SZ spaceship and TG target spacecraft, the connection of propulsion system module shall increase connection rigidity and reduce response of propulsion module when requirement of base frequency will be met. A connection of double flanges for propulsion system module was designed. The connection between upper and low flanges used more connection points and larger connection area. The strength and rigidity of the middle frame of propulsion module were enhanced. The over constraint caused by double flanges was solved through adjusting installation clearance using shim, which would reduce installation stress. The designs of configuration, connection interface, T frame and installation stress compensation were given. The connection scheme designed was validated by simulation and test. The results showed that this connection could meet the requirements of strength and rigidity for the cargo spaceship. The connection design of double flanges has contributed to the development of propulsion module of cargo spaceship in China.

Cargo spaceship; Propulsion module; Propulsion system module; Connection; Double flanges; Connection interface; T frame; Installation stress compensation

1006-1630(2016)05-0036-06

2016-09-10；

2016-10-08

李传吟(1984—)，男，硕士，主要研究方向为航天器机械总体设计。

V423.5

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.006