贮箱防晃挡板结构形式和晃动阻尼研究

2021-10-26李宝海王求生张永亮李国栋

导弹与航天运载技术 2021年5期

于瑾，李宝海，王求生，张永亮，李国栋

（北京强度环境研究所，北京，100076）

0 引言

作为中国新一代大推力运载火箭，具有贮箱直径大、液体晃动质量大的特点，为满足姿控系统稳定的要求，推进剂防晃结构必须提供比较大的液体晃动阻尼。提高晃动阻尼的有效方法是在贮箱内安装防晃结构。为分析比较各种防晃结构形式的阻尼特性，确定能满足大推力运载火箭姿态控制要求的阻尼结构设计参数，建立推进剂晃动等效动力学模型，对各种防晃结构提供晃动阻尼、挡板载荷、纵横转动惯量，非常有必要在火箭研制的前期开展液体动力学特性的试验与研究，奠定火箭运动分析和设计的基础。

本文通过基于大型运载火箭贮箱缩比模型的试验研究来开展，需要先设计加工一个满足要求的贮箱模型，再加工相应的各种以往经验总结的挡板结构，通过在贮箱内安装不同的挡板结构，再进行试验研究，设计出型号贮箱最适合的挡板结构形式，以满足姿态控制的要求，并达到阻尼效果好、质量轻、安装简单的防晃结构型式的目的。

1 模型建立

1.1 试验件概述

试验件采用1:8的缩比模型，模拟火箭贮箱，分别由柱段和球底组成，均采用有机玻璃材质，便于观察，柱段和球底采用法兰连接，通过法兰安装测力传感器与工装相连，获取试验中的晃动数据。贮箱结构如图1所示。

图1 贮箱结构形式Fig.1 The Propellant Tank Structures

1.2 挡板工况

a）工况一：选择h/R（液高/半径）=2.48（对接面上1.8R）处安装单层半圆形挡板，针对2个半圆形挡板、3个半圆形挡板和环形挡板的工况进行对比分析。

b）工况二：针对3个半圆形挡板的工况，选择不同的r/R（挡板半径/贮箱半径），分别是0.168和0.25开展分析。

c）工况三：针对3个半圆形挡板的工况，选择不同的层数，分别是单层和3层开展分析。

2 等效力学模型和试验方法

2.1 等效力学模型

贮箱内液体的晃动问题在数学上与一组线性振子的振动问题等价，等效动力学模型如图2所示。

第i阶晃动质量相对贮箱的位移为Uri，其运动方程为

式中ic为等效粘性阻尼系数；im为第i阶液体晃动的晃动质量。

令iω和iξ为第i阶晃动的固有频率和阻尼比，则有：

第i阶晃动产生的晃动力和晃动力矩分别为

在水平激励U作用下，贮箱的力F和力矩M平衡方程为

2.2 晃动试验方法

通过强迫晃动试验，设贮箱的水平位移为

代入式（6）和式（7）中进行变换得传递函数：

一阶晃动为主时，根据F()ω、M()ω和U()ω的实测结果，采用曲线拟合方法可求出贮箱总重m、总重稳定中心hm、晃动质量m1、晃动频率ω1、晃动质量的悬挂点高度h1和阻尼比ξ1。

推导出阻尼计算公式

3 试验结果分析

3.1 工况一阻尼对比分析

当r/R=0.25，对比单层3块半圆形板（均布）与2块半圆形板的阻尼效率，对于同样半径的半圆形防晃板，单层3块挡板的总面积为2块挡板总面积的1.5倍；将2块半圆形挡板的数据乘以1.5之后，与3块半圆形板进行对比分析，如图3所示，晃动力沿图2中的F所示的方向进行往复运动。当液位S/R（面积/半径）相同时，3块板的阻尼比一般为单层两块板时要大一些，即单层3块板的阻尼效率更高。