运载火箭贮箱排气管路中波纹管力学环境地面模拟验证分析*

华寅淞，丁关锦，张 游，堵同亮，铁文军

(上海航天设备制造总厂有限公司·上海·200245)

0 引 言

运载火箭贮箱排气管的主要功能是为了满足增压输送系统在测试阶段的贮箱放气和在发射准备阶段的贮箱排气要求，其通常位于排气阀门或安全阀门的后端。考虑到在充气状态下贮箱箱底的变形及导管在焊接后的变形，需要在排气管上增加波纹管以补偿此变形[1]。排气管中的波纹管面对的力学环境较为复杂，可导致波纹管变形的影响因素众多，装配变形、贮箱变形、排气时的气流冲刷等都可能导致波纹管变形而造成破坏。若波纹管在装配变形和贮箱变形的影响下，材料已经进入或接近屈服极限，则在排气气流的冲刷下，波纹管可能在多次排气后被损坏，从而导致贮箱内的推进剂在封闭环境内造成聚集，在严重情况下可能导致毁灭性的灾难。

某运载型号在推进剂加注后发现排气管波纹管破裂的故障，由于排气管安装在贮箱及排气阀门的后端，排气管对运载火箭动力系统的影响较小，故而未引起灾难性的后果。但是，若排气管安装在贮箱与排气阀门之间，或者因排气时间长而造成富氧环节，则将可能造成火箭爆炸的灾难性后果。

本文以某型号故障排气管为分析对象，在文章第一部分构建了排气管的受力模型，在第二部分对排气管在实际工况下的变形因素进行了详细分析，在第三部分针对前文分析的因素对排气管在各种变形工况下做出了仿真分析，最后采用1∶1地面真实冲刷试验，通过对排气管的试验分析验证了仿真分析的有效性，得出了排气管波纹管破裂的真实原因，并对改进方向进行了展望。

1 排气管受力模型的建立[2]

某运载型号故障排气管采用了排气阀和安全阀共用1个出口的安装方式，在排气阀端安装了1个补偿器，在安全阀端安装了1个补偿器，如图1所示。波纹管选用了5个波的补偿器，补偿量为±8mm，可耐压1.4MPa。本文以排气阀门端的波纹管为研究对象。

图1 排气管的组成及破裂位置Fig.1 Exhaust pipe composition and rupture location

在考虑安装及贮箱变形对排气管变形的影响时，可将排气管受力模型进行简化，将除波纹管之外的所有零件均视为刚性零件，简化图如图2所示。

(a)实际模型(a) Real model

(b)简化模型(b) Simplified model图2 排气管排气阀端波纹管的受力模型Fig.2 Mechanical model of exhaust pipe

2 排气管中波纹管的变形因素分析

2.1 导管取样及焊接变形导致的装配偏差

由于运载火箭贮箱箱底空间的局限，管路走向具有局限性，且导管需要在现场取样并协调生产，导管在焊接后同样存在一定程度的变形，因此装配变形不可避免。在实际装配过程中，需测量波纹管的装配变形。在模型中，对导管安装偏差取值为扭转3°。

2.2 贮箱变形导致的导管变形

箭体在气密检查阶段、加注阶段、飞行阶段中存在结构和管路变形。结构贮箱排气阀门的排气口变形和安全阀门的排气口变形最有可能发生在气密检查阶段，具体变形量详见表1。

表1 贮箱排气阀门和安全阀门排气口的变形量Tab.1 Outlet distortion of tank exhaust valve and safety valve

根据表1数据，贮箱在气密压力为0.42MPa的条件下，下氧箱前底排气阀安装位置的轴向位移为7.64mm，径向位移为6.01mm。将除波纹管之外的所有零件均视为刚性零件，贮箱变形将导致波纹管波长由37.3mm变为43.28mm，波纹管拉伸量为5.98mm。

2.3 气流冲刷对排气管的影响

排气阀门或安全阀门在放气时，气流在管路中的流动状况比较复杂，可能有湍流产生。波纹管在迎流的第1个波处可能会产生较大的压力，形成局部较大的气动载荷。

3 在装配变形和贮箱变形综合影响下补偿器的强度计算[3]

3.1 管路安装变形影响的仿真分析

考虑管路扭转的安装偏差为3°，此时波纹管的最大应力为505MPa，应变为71220με，如图3所示。

图3 氧排气管施加装配变形后的受力变形图Fig.3 Mechanical deformation diagram after the assembly deformation

3.2 贮箱变形影响的仿真分析

贮箱在充压后，变形排气阀门端的轴向为7.64mm，径向为6.01mm，安全阀门端的轴向为10.91mm，径向为5.32mm。此时，波纹管的最大应力为482MPa，应变为55650με，如图4所示。

图4 氧排气管施加贮箱变形后的受力变形图Fig.4 Mechanical deformation diagram after tank deformation

3.3 装配变形与贮箱变形联合影响的仿真分析

考虑管路扭转为3°的安装偏差和贮箱在充压后变形排气阀端的轴向为7.64mm、径向为6.01mm，安全阀端的轴向为10.91mm、径向为5.32mm。此时，波纹管的最大应力为471.1MPa，应变为67460με，材料已进入屈服(200MPa)状态，应力图如图5所示，小于其许用破坏应力(665～680MPa)。

图5 氧排气管施加装配变形和贮箱变形后的受力变形图Fig.5 Mechanical deformation diagram after the assembly deformation and tank deformation

3.4 气流冲刷影响的仿真分析

采用顺序弱耦合分析方法，分析气动稳态响应。结果表明，当安全阀端放气时，管路在三通处的流动比较复杂，有湍流产生。波纹管在迎流的第2个波处产生较大压力，相邻的波压力较小，形成了局部较大的气动载荷。另一方面，在波峰处也有局部湍流产生，如图6、图7所示。当排气阀端放气时，除波纹管在波峰处产生局部湍流，管路流体的流动总体比较顺畅。波纹管在迎流的第2个波处产生较大压力，相邻的波压力较小，形成局部较大的气动载荷，如图6、图7所示。

图6 管路剖面的压力云图Fig.6 Pressure cloud map of pipeline profile

图7 管路速度迹线图Fig.7 Diagram of line speed track

采用双向流固耦合动力学分析方法进行分析，分析的结果表明：管路稳定响应状态呈现出了周期性的变化规律。当安全阀端放气时，波纹管结构在0.1s左右受到的冲击作用明显，最大应力约为575MPa，折合应变为2875με，如图8所示。

图8 安全阀端放气出口处波纹管的最大等效应力曲线Fig.8 Maximum equivalent stress curve of bellows at the vent of safety valve end

3.5 综合影响分析

通过对贮箱变形及安装变形影响的仿真分析，以及对气流冲刷影响的仿真分析，可知氧排气管在安装变形和贮箱变形的条件下，波纹管上的最大应力为471.1MPa，材料已进入屈服(200MPa)状态。在此基础上，当安全阀端放气时，管路在三通处的流动比较复杂，有湍流产生。波纹管在迎流的第2个波处产生较大的压力，相邻的波压力较小，形成局部较大的气动载荷。波纹管结构在0.1s左右受到的冲击作用明显，最大应力约为575MPa。管路经受多次放气冲刷，产生气流冲击和诱导振动，气体会激发声学共振，声振载荷增加了波纹管系统的自由度。波纹管声学共振和压力脉动相互耦合，产生了较大的交变载荷，波纹管的薄弱位置易产生疲劳和发生破裂。

4 试验验证

为了测试排气管在极限变形情况下、大流量排气时的管路动态响应, 开展了氧排气管冲刷试验。

4.1 试验工况

在安装排气管时，需利用推力位移试验工况模拟贮箱变形和预定扭转安装位移，如图9所示。将氧排气口(图中A处)固定，在氧排气阀安装位置处(图中B处)和氧安全阀安装位置处(图中C处)施加轴向和径向位移，强迫安装采用扭转氧排气口(图中A处)进行模拟。

图9 试验状态示意图Fig.9 Schematic diagram of testing status

先进行排气阀门放气冲刷试验。排气管利用推力位移试验工装模拟贮箱变形量以完成安装，通过地面软管将贮箱排气法兰连接到排气管上排气阀。将安全阀端用堵盖堵住，则贮箱可增压至0.39MPa。打开管路端排气阀，放气2min，在放气过程中监测排气管内的压力和波纹管附近的动态响应。在试验结束后检查排气管波纹管状态，并重复试验20次，然后将地面软管和安全阀门连接至安全阀端。将排气阀门端用堵盖堵住，贮箱增压至安全阀门打开压力(0.42MPa)，打开管路排气阀放气1min，在放气过程中监测试验排气管内的压力和波纹管附近的动态响应，在试验结束后检查排气管波纹管的状态，重复试验15次。整体试验工况状态见表2。

4.2 测试参数

由于波纹管谷内位置狭小，在试验过程中无法测量应变，因此在试验过程中仅测量管路上的响应，响应测点位置见图10和表3，将各工况放气过程重复测试3次。

表2 试验工况状态表Tab.2 Testing condition Table

图10 加速度测量示意图Fig.10 Diagram of acceleration measurement

序号参数名称参数代号频率范围/Hz最大复合加速度/g测量方向环境温度/K1波纹管下端面(出气口)1～32～5000100X、Y、Z(3向)223～3332波纹管上端面(进气口)4～62～5000100X、Y、Z(3向)223～333

4.3 试验结果

在经过地面模拟安装变形(扭转3°)和贮箱打压变形(排气阀端轴向为7.64mm，径向为6.01mm，安全阀端轴向为10.91mm，径向为5.32mm)条件下的3次冲刷(贮箱放气压力为0.42～0.33MPa，放气时间为30s，排气管内压力为0.055～0.035MPa)试验时，加速度测点4(出气口处)的响应最大，将其处理为均方根值47g，在第2个波的波谷上有约15～20mm的裂纹。试验结果与仿真结果一致。如图11、图12所示。

图11 氧排气管冲刷试验照片Fig.11 Photo of oxygen exhaust scour testing

图12 开裂位置形貌Fig.12 Morphology of crack location

5 结 论

地面试验和有限元仿真分析显示，在极限变形情况下，波纹管已进入屈服状态。在此基础上，管路经多次放气冲刷，产生气流冲击和诱导振动，波纹管经受交变载荷，产生疲劳，发生破裂。因此，在进行排气管设计时需要考虑安装偏差、贮箱变形及气流冲刷等因素的综合影响。

针对排气管的设计改进，可以从降低安装偏差及增加波纹管补偿量两方面进行考虑。例如，可以考虑为此导管增加1个分断面，协调及安装环节则可以有明显改善；另外，可以考虑更换补偿量更大的补偿器。排气管中波纹管受力变形的规律，不仅为在火箭飞行过程中排气管受力的后续分析提供了技术支撑，同时新运载型号在其后续研制过程中也可借鉴此规律进行设计。