基于CAT的上面级力学环境适应性设计、验证模式研究与实践

/北京宇航系统工程研究所

空间飞行器在随运载火箭发射过程中会经历由发动机推力变化、跨音速脉动压力、助推器关机、分离等动作引起的恶劣低频振动环境,导致飞行器各结构部段产生动态内力、各仪器设备安装处产生瞬态低频振动,引起结构损坏、仪器设备失效等风险。

某飞行器上面级首飞组合体将搭载某运载火箭首飞任务开展演示验证,其总体布局如图1所示。组合体由2个主要有效载荷及5个结构部段组成,总高度超过10米,总质量达到11500千克,质心距下端面高度约4.5米。其中,支架3内集中安装了电气设备、推进剂贮箱、气瓶、管路等,为组合体单独在轨飞行提供动力。除支架3是对原有上面级型号进行适应性修改外,其余结构部段均为新设计。

图1 组合体总体布局示意图

组合体质量大、质心高,且内部存在多个传力分支,飞行任务中结构破坏的风险不可忽视。同时,在研制进度、经费等多因素制约条件下,组合体仅投产一套结构产品先后用于力学试验及飞行任务,既需要尽量减少力学试验对飞行产品的损伤,降低试验后产品继续用于飞行的风险,又要在首飞前解决对飞行力学环境的适应性问题,避免给运载火箭首飞任务带来灾难性影响。

一、环境适应性设计、验证模式工作实践

1.总体思路

空间飞行器总体力学环境设计是各结构部段、仪器设备环境适应性设计、试验验证的主要依据,设计过程需要大量试验数据作支撑。计算机辅助工程设计(CAT)是依托于力学分析以及计算机技术快速发展,为适应优化设计流程、降低生产成本等需要,包含分析、计算和仿真在内的研发活动。相比开展大型地面试验,CAT技术具有成本低、灵活性和效率更高的特点。

在总结在飞上面级型号研制经验的基础上,结合组合体对成本、进度及安全性的特定需求,探索基于CAT的上面级力学环境适应性设计、验证新模式。以环境适应性数字化设计、仿真、分析为基础,主要通过仿真、分析得出力学环境数据,仅对组合体关键动力学特性、结构部段承载裕度较低环节进行地面试验验证。通过大量的仿真分析并结合少量实物试验达到研制目标,能够消除系统级试验主频处过试验引起结构损伤、地面试验验证不充分带来飞行隐患2项风险。在搭载火箭首飞前完成总体力学环境适应性验证,为最终确保飞行安全性、成功完成搭载飞行任务提供支撑。

2.实践过程

(1)实施流程

基于CAT的上面级力学环境适应性设计、验证流程主要包括以下3个步骤:

第一步,通过组合体与运载火箭耦合力学分析,获取组合体内部节点加速度响应及各部段界面动态力。结构使用载荷需同时包络准静态计算值及载荷耦合分析提取值,单机振动试验条件制定需包络对应节点加速度冲击响应谱并保留一定余量,并以此为依据开展结构部段对飞行载荷的承载设计以及仪器设备对振动试验条件的适应性设计。

第二步,开展整器低量级振动试验,获取传力路线上、关键单机安装处测点频响特性,验证飞行器有限元模型计算准确性,由此证明第一步中利用验证后组合体有限元模型进行飞行状态加速度响应、动态力仿真结果的准确性。

第三步,开展数字化静力试验,获取所有结构部段各受力工况中裕度较低的环节,并开展相应的实际静力试验对低裕度工况实际承载能力的验证;各仪器设备通过单机状态低频振动试验证明其对力学环境的适应性。

在以上设计、验证流程中,总体低频振动环境预示除采用全箭耦合力学分析获取组合体、运载火箭对接面环境条件外,也直接给出组合体内部单机细化的环境条件,避免直接由组合体、运载火箭对接面环境条件以频响方式进行二次处理带来的响应放大。在各结构部段承载能力验证中,采用数字化强度试验为主的方式,检验结构设计是否满足承载要求。

(2)组合体载荷、力学环境设计

组合体、运载火箭耦合力学分析。为准确预示组合体飞行低频振动环境,建立其详细有限元模型并与已通过单独试验验证的运载火箭模型进行组合,开展耦合状态力学分析,其流程示意如图2所示。计算得出组合体内部各仪器设备安装位置加速度响应、各部段对接面动态力等。

图2 组合体、运载火箭耦合力学分析流程

结构部段载荷设计。除按照传统方法给出准静态计算载荷值外,也可通过耦合力学分析提取各部段对接面动态载荷值,结构承载分析中需针对这2种计算方法得到的载荷值进行强度校核。

仪器设备振动试验条件制定。将耦合分析获取的仪器设备安装位置的加速度时域数据生成冲击响应谱,并作为仪器设备飞行工况振动环境数据。为保证在耦合力学计算存在偏差的情况下增强单机试验条件对飞行环境的覆盖性,制定的单机振动试验验收量级条件在覆盖仪器设备安装位置节点冲击响应谱曲线的前提下留取一定余量。

(3)试验验证情况

系统级振动试验。在以上组合体载荷、力学环境设计流程中,整器有限元模型是非常重要的一环,其计算准确性与各结构部段界面力、加速度响应计算的准确性直接相关。为了验证模型的准确性,保证有限元计算能表征组合体主要的动力学特性,开展了系统级低频振动试验。

为降低系统级试验可能引起的结构产品损伤,组合体仅完成了低量级特征试验,并在主频处考虑结构承载情况进行“带谷”处理,降低共振频段过试验风险。试验获取了各测点振动响应情况,以及不同输入量级下各部段的放大倍数,验证了有限元模型频响计算的准确性。结构数字强度试验及地面静力试验。各结构部段开展数字强度试验,分析设计载荷下整体承载能力、结构刚度和局部连接强度,检验结构承载能力是否满足要求。对数字化试验结果进行统计、梳理,可知各结构部段均能满足承载要求,且支架3上端框受拉、筒段中间框受拉2个工况强度裕度相对较低。

因此,分别对以上2个裕度较低环节开展实际静力试验验证,试验加载至1.3倍使用载荷,试验后结构完整未破坏,且经数据递推可知支架3上端框、筒段中间框均能承受设计载荷。至此,所有结构部段对各自设计载荷的承载能力均得到验证。

仪器设备单机状态振动试验。组合体箭上仪器设备均依据总体给定的验收、鉴定试验条件开展单机低频振动试验,达到发现设计缺陷、工艺缺陷的目的,保证上箭飞行产品对发射段低频振动环境的适应性。

通过系统级振动试验修正组合体模型,与运载火箭组合耦合力学分析预示组合体内部飞行载荷、单机振动环境,组合体各结构部段由数字强度试验及地面试验验证承载能力,各仪器设备通过单机低频振动试验保证上箭飞行产品对发射段低频振动环境的适应性。综上所述,组合体整器力学环境适应性的设计、分析及验证完成闭环,在参加飞行前解决了对力学环境适应性满足性问题。新方法与传统方法试验项目、量级对比见表1。

二、实践效果

通过基于CAT数字化技术的上面级力学环境适应性设计、验证技术研究与实践,在搭载某运载火箭首飞前完成上面级总体力学环境适应性验证,为最终确保飞行安全性、成功完成搭载飞行任务提供支撑,具体效果主要体现在以下3个方面:

一是结构载荷、单机振动试验条件均通过耦合力学分析及数据处理得出,系统级低频振动试验的作用为获取传递特性、验证计算模型,未将验收、鉴定振动试验工况作为结构设计、单机力学环境适应性设计的依据。

二是综合使用结构动载荷、单机响应对系统级振动试验输入进行约束,试验最终完成量级较低且依据试验预示情况进行下凹,通过降低振动试验中对结构产品的损伤,保证试验后同一套结构产品仍能参加飞行任务。

三是各结构部段通过数字强度试验获取裕度较低环节,通过地面实际静力试验对识别出的低裕度环节进行直接承载能力验证,避免了对各部段均开展多工况静力试验,节省了试验经费。

表1 新方法与传统方法试验对比表

三、后续思路

1.进一步增强刚度分配规范性

组合体以满足接口控制文件中的固支频率指标要求为目标开展动特性设计工作,且为满足对运载能力验证的目的,结构分系统可使用的重量余量较大。总体设计中各结构部段总体质量要求依据经验值得出,未进行频率约束下的部段总质量优化,剩余强度系数在各结构部段间分布不均匀,个别结构部段剩余强度系数过大。

上面级后续任务研制中,将试行总体输入→频率约束下部段质量分配→结构总质量优选→各部段刚度要求约束的刚度分配流程,增强了“载荷一结构一总体”闭环能力,后续将在刚度分配流程化、自动化方面进行深入探索,为结构减重提供支撑。

2.细化仪器设备局部频率要求

为满足商业化搭载发射任务需求,需要在避免对主任务产生负面影响的前提下有效利用剩余的安装空间和运载能力。常用方式为利用现有的主星适配器侧向空间进行搭载星安装,并配置大质量电池等仪器设备,设计中有必要对搭载载荷支架、大质量仪器设备局部频率进行细化,由此对搭载载荷、仪器设备经历的力学环境尤其是低频振动环境进行控制,并使其不影响主发射任务的实施。

3.发展带压带液装置仿真分析方法

首飞组合体各新研结构部段均为蒙皮析条结构,构型比较简单,因此重点开展数字化静力试验对其承载能力进行验证。而贮箱、液路、气路等均采用相近型号试验数据对本型号飞行数据覆盖性分析的方式验证其环境适应性。后续可对贮箱、管路等带压带液装置在静力、振动环境下加速度响应、应变的预示方法进行深入研究,了解其疲劳方式、破坏机理,为上面级总体环境适应性分析提供支撑。