貨運飛船推進模塊雙法蘭連接設(shè)計研究

李傳吟,曹俊生,吳金花,李立春,查學雷

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

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貨運飛船推進模塊雙法蘭連接設(shè)計研究

李傳吟,曹俊生,吳金花,李立春,查學雷

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)

為實現(xiàn)貨運飛船相對獨立的推進艙與推進模塊的裝配，采用貯箱模塊化安裝方式，對推進模塊與推進艙間的連接形式進行了研究。根據(jù)貨運飛船推進模塊加注推進劑質(zhì)量遠高于神舟號飛船和天宮一號目標飛行器的狀況，推進模塊連接設(shè)計需在滿足基頻要求的前提下提高連接剛度，減小推進模塊響應。設(shè)計了一種雙層法蘭的連接方案：采用上下兩層法蘭的連接形式增加連接點和增大連接面積，加強推進艙結(jié)構(gòu)中間框的強度與剛度；用墊片調(diào)整安裝間隙以解決雙層法蘭產(chǎn)生的過約束，減小裝配應力。給出了構(gòu)形、安裝接口、T框和裝配應力補償?shù)仍O(shè)計。用仿真和試驗對推進模塊連接方案進行了驗證，結(jié)果表明：該連接形式滿足飛行器的強度和剛度要求。推進模塊雙法蘭連接設(shè)計為中國貨運飛船推進艙的研制奠定了基礎(chǔ)。

貨運飛船； 推進艙； 推進模塊； 連接； 雙法蘭； 安裝接口； T框； 裝配應力補償

0 引言

2022年前后，我國將建成60 t級的空間站。在空間站運營階段，需每年向空間站補充物資和推進劑，同時空間站還將產(chǎn)生大量廢棄物。按照規(guī)劃，我國使用貨運飛船完成空間站物資補充、推進劑補加和廢棄物離軌。在空間實驗室任務中，我國將發(fā)射一艘貨運飛船與空間試驗室對接，驗證推進劑在軌補加技術(shù)[1]。目前。國際空間站的貨運系統(tǒng)主要有俄羅斯的進步號、歐洲的ATV和日本的HTV等飛行器，均采用了貨物艙、推進艙(服務艙)兩艙構(gòu)型[2]。我國的貨運飛船也將由貨物艙、推進艙兩個艙段構(gòu)成。貨物艙主要裝載上行物資及空間站廢棄物；推進艙作為飛行任務平臺，主要配置推進、電源、測控通信和熱控等平臺設(shè)備，為飛行器提供動力、能源與通信功能，并裝載空間站補加推進劑。

由于貨運飛船推進艙需要通過貯箱攜帶大量推進劑進行空間機動和在軌補加，推進劑貯箱裝載方式是貨運飛船推進艙研制過程中需首先解決的問題。目前，我國已成功完成飛行試驗的載人航天器主要包括神舟系列飛船和天宮一號目標飛行器，這兩種飛行器的推進艙/資源艙推進劑貯箱均采用模塊化安裝方式，即貯箱與推進軌控發(fā)動機、氣瓶、閥門、管路等推進分系統(tǒng)部件集中安裝于推進模塊結(jié)構(gòu)上，組成相對獨立的推進模塊；推進模塊再與推進艙結(jié)構(gòu)進行裝配，連接推進艙的機械、電、器、液接口，組成推進艙整體[3-4]。使用模塊化的安裝方式具有界面清晰的特點，推進艙與推進模塊可獨立進行總裝、測試和試驗，從而縮短研制周期；推進艙和推進模塊相對獨立，便于完成復雜的裝配。貨運飛船推進艙借鑒神舟系列飛船和天宮一號目標飛行器推進貯箱裝載方法，采用貯箱模塊化安裝方式。本文對貨運飛船推進艙與推進模塊間的連接形式進行研究，介紹了一種雙法蘭連接設(shè)計方案，并通過仿真和試驗對方案進行了驗證。

1 問題描述

推進艙結(jié)構(gòu)為蒙皮、桁條和框組成的全金屬外承力筒形式。推進艙內(nèi)分為兩部分：上半部分作為儀器設(shè)備區(qū)，安裝電子設(shè)備；下半部分為推進區(qū)，安裝推進模塊。推進分系統(tǒng)的推進模塊上需要安裝金屬膜片式貯箱8個、增壓氣瓶8個、軌控發(fā)動機組，以及相關(guān)閥門、管路、電纜等組件。根據(jù)每艘貨運飛船任務不同，8個貯箱推進劑裝載量為2 400～3 500 kg，相應的貨物艙質(zhì)量為8 700～7 600 kg，使貨運飛船總重為13.5 t，見表1。

為保證貨運飛船自身及與運載火箭的頻率不發(fā)生耦合，推進模塊安裝到推進艙后在不同推進劑加注狀態(tài)下縱向頻率均需低于25.6 Hz，且推進艙與貨物艙結(jié)構(gòu)組成的貨運飛船主模態(tài)一階縱向頻率不小于20 Hz，橫向頻率不小于5.2 Hz。

表1 推進劑裝載量

神舟號飛船和天宮一號目標飛行器推進模塊加滿推進劑質(zhì)量分別為1 392，1 858 kg，推進模塊與推進艙間通過1層法蘭連接。貨運飛船推進模塊加注推進劑后質(zhì)量最小3 300 kg，最大4 400 kg，遠高于神舟號飛船和天宮一號目標飛行器。推進模塊連接設(shè)計需在滿足基頻要求的前提下提高連接剛度，減小推進模塊響應。若采用傳統(tǒng)單法蘭連接的形式則會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)安裝框承力集中、推進模塊響應過大的問題。對此，本文設(shè)計采用上下兩層法蘭的連接形式增加連接點和增大連接面積，加大推進艙結(jié)構(gòu)中間框的強度與剛度；用墊片調(diào)整安裝間隙以解決雙層法蘭產(chǎn)生的過約束，減小裝配應力。

2 連接設(shè)計

2.1 構(gòu)形

8個球形推進貯箱在推進艙內(nèi)分上、下兩層布置，每層氧化劑貯箱2個，燃燒劑貯箱2個。每一層的4個貯箱間用球冠形結(jié)構(gòu)進行連接，球冠高度473 mm，在球冠中央設(shè)計承力筒和十字隔板對球冠進行加強，如圖1所示。

圖1 單層模塊Fig.1 Single module

上下兩層模塊間通過十字隔板連接成為整體，每層模塊均有與結(jié)構(gòu)連接的法蘭，形成了雙法蘭模塊的形式，如圖2所示。推進分系統(tǒng)的增壓氣瓶、閥門等部組件安裝在兩層法蘭間的十字隔板上。兩層模塊連成一個整體，可縮小因推進劑裝載量不同造成的模塊基頻變化范圍[5]。

圖2 推進模塊Fig.2 Propulsion system module

圖3 推進艙內(nèi)布局Fig.3 Overall arrangement inside propulsion module

推進艙安裝推進模塊后，推進艙內(nèi)布局如圖3所示，推進艙上部900 mm高度空間為儀器設(shè)備區(qū)；推進艙底部2 300 mm高度空間為推進模塊， 推進模塊雙層法蘭與推進艙結(jié)構(gòu)相連。

2.2 安裝接口

推進艙結(jié)構(gòu)為框桁鉚接結(jié)構(gòu)，中間框和桁條均設(shè)置在推進艙內(nèi)壁，推進艙內(nèi)可通過的包絡(luò)為Φ2 640 mm。推進模塊上下兩層均設(shè)置安裝法蘭，法蘭安裝面外沿直徑均為2 630 mm；推進艙結(jié)構(gòu)內(nèi)壁設(shè)置兩個截面為T形的中間框(簡稱T框)。推進模塊下層法蘭上有Φ11 mm的通孔46個和Φ11.5 mm的銷釘孔2個，上層法蘭下表面均布M10螺母48個；推進艙結(jié)構(gòu)下T框上表面均布M10螺母48個和Φ10.5 mm的銷釘孔2個，上T框均布Φ11 mm的通孔48個；安裝孔分度圓均為Φ2 590 mm。推進模塊上的法蘭與T框分別通過48個M10的鈦合金螺栓連接，如圖4所示。

圖4 法蘭與T框連接Fig.4 Connection between flange and T frame

推進主模塊上層法蘭和推進艙結(jié)構(gòu)下層T框均設(shè)計成“齒”形，如圖5所示。推進模塊整體裝配過程中，推進主模上層法蘭的齒可穿過下層T框的缺口，從而保證模塊上下法蘭安裝孔分布圓直徑一致的情況下的通過性。

圖5 推進模塊上層法蘭和下層T框Fig.5 Upper flange and lower T frame

2.3 T框

T框是推進模塊連接安裝平臺，在飛行過程中均需承受較大的動載荷，受力情況較復雜，是推進模塊連接設(shè)計的重要部分。對上層T框，為增加與艙體及推進補加模塊的連接剛度，減小局部變形，在腹板與壁板間下方設(shè)計加強筋，筋厚度6 mm，有效長度90 mm。下層T框的截面同上層T框，缺口處通過加強筋進行局部補強。T框截面如圖6所示。

圖6 T框截面Fig.6 Cross section of T frame

2.4 裝配應力補償

圖7 調(diào)整墊片F(xiàn)ig.7 Adjusting shim

3 仿真分析

3.1 強度分析

貨運飛船上升段T框的最惡劣工況發(fā)生在推進劑質(zhì)量最大狀態(tài)，即推進模塊質(zhì)量4 400 kg，縱向過載13g、橫向過載4g時。用ABAQUS軟件對T框進行強度分析，采用體單元模擬T框局部，剛體單元模擬螺栓，邊界條件為左右兩端固支，有限元模型如圖8所示。選擇T框軸向力最大和周向力最大進行計算，其中：軸向力最大工況下的最大應力187 MPa，強度剩余系數(shù)1.12；周向力最大工況下的最大應力191 MPa，強度剩余系數(shù)1.10。計算結(jié)果表明T框強度滿足使用要求。

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

3.2 模態(tài)分析

用MSC.Patran/Nastran有限元分析軟件建立推進模塊安裝后的推進艙有限元模型，進行模態(tài)分析[6]。有限元模型如圖9所示，其中：推進艙的蒙皮簡化為板殼單元，中間框簡化為空間梁單元，T框采用六面實體單元進行建模；推進模塊結(jié)構(gòu)主要使用板殼單元模擬，貯箱推進劑質(zhì)量通過非結(jié)構(gòu)質(zhì)量模擬；貨物艙作為集中質(zhì)量配重，與推進艙上端框72處螺栓連接點通過剛性約束連接。

圖9 推進艙有限元模型Fig.9 Finite element model of propulsion module

模擬發(fā)射狀態(tài)，推進艙后端框固支，約束后端面的移動和轉(zhuǎn)動自由度，進行推進艙模態(tài)分析。所得推進劑加注質(zhì)量分別為2 400，3 500 kg兩種狀態(tài)的推進艙模態(tài)見表2。由表2可知：推進模塊安裝后一階縱向最高為22.1 Hz，滿足不大于25.6 Hz的要求。從結(jié)果中還可發(fā)現(xiàn)上下兩層模塊通過結(jié)構(gòu)件連成一個整體后，推進劑加注量對推進模塊縱向頻率的影響小于1 Hz。

表2 推進艙模態(tài)

4 試驗驗證

用靜力試驗和振動試驗對推進模塊安裝設(shè)計進行驗證[7]。靜力試驗主要考核推進艙結(jié)構(gòu)T框能否滿足設(shè)計要求，并為校核強度計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)設(shè)計改進提供依據(jù)；振動試驗考核推進模塊安裝方式和裝配工藝的合理性，提前暴露研制中的問題[8]。

4.1 靜力試驗

靜力試驗中使用試驗工裝模擬推進模塊安裝接口對T框進行加載。試驗時推進艙豎立放置， 兩層T框均通過48個M10螺栓與推進模塊模擬件連接，試驗載荷直接作用在推進模塊模擬件上，再通過拉桿、作動筒等系統(tǒng)豎直方向施加載荷，如圖10所示。

圖10 T框加載Fig.10 Loading on T frame

試驗中使用載荷加載前以10%設(shè)計載荷為1級進行加載，使用載荷加載后以5%設(shè)計載荷為1級進行加載，最終加載至100%設(shè)計載荷(457.1 kN)。T框腹板、緣板和肋上各測點記錄的應變分別如圖11～13所示。試驗結(jié)果顯示：T框腹板應力最大值位于Ⅲ偏Ⅳ基準，為81.7 MPa；T框緣板上應力最大值位于Ⅳ象限，為121 MPa；T框肋上的應力較小，最大值出現(xiàn)在Ⅳ象限，為56.1 MPa。試驗測得應力值均小于鋁合金的許用應力，按屈服設(shè)計，T框強度剩余系數(shù)為1.64。

圖11 T框腹板測量-加載曲線Fig.11 Stain-load curves of web plate of T frame

圖12 T框緣板測量-加載曲線Fig.12 Stain-load curves of flange plate of T frame

圖13 T框肋測量-加載曲線Fig.13 Stain-load curves of fib of frame

4.2 振動試驗

振動試驗產(chǎn)品使用的是結(jié)構(gòu)熱控推進艙，其所有結(jié)構(gòu)件均為初樣狀態(tài)，除艙體安裝有推進模塊外，推進艙結(jié)構(gòu)上還安裝有其它單機，推進艙狀態(tài)最接近真實發(fā)射狀態(tài)，振動試驗能真實反映推進艙的力學特性。

為全面考核推進模塊安裝后推進艙力學特性，推進艙按推進劑不加注、加注3 500 kg、加注2 400 kg三種態(tài)分別進行X、Y、Z三個方向的振動試驗，各工況貯箱推進劑使用模擬液替代。每個方向的振動試驗按導通級→特征級→驗收級→特征級復振→鑒定級→特征級復振順序進行。根據(jù)試驗結(jié)果，可判斷各測點驗收級和鑒定級響應均滿足環(huán)境試驗條件要求，特征級曲線符合性好；根據(jù)特征級試驗推進模塊上測點的峰值響應(如圖14所示)可推算出推進劑加注2 400，3 500 kg時推進主模塊縱向一階基頻相應為24.52，24.03 Hz，與仿真結(jié)果接近并滿足剛度要求。

圖14 峰值曲線Fig.14 Peak curve

5 結(jié)束語

本文對貨運飛船推進艙推進模塊連接方式進行了研究。設(shè)計了一種推進模塊雙層法蘭連接的方案，通過齒形法蘭、調(diào)整墊片等方式解決了雙層法蘭通過性、過約束安裝間隙調(diào)整等問題。通過仿真分析和試驗對設(shè)計方案進行了驗證。結(jié)果表明推進模塊雙法蘭連接設(shè)計滿足強度和剛度要求。推進模塊的連接設(shè)計方案為貨運飛船推進艙的順利研制奠定了基礎(chǔ)，同時可為大質(zhì)量模塊在航天器中的連接提供借鑒。

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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

李傳吟(1984—)，男，碩士，主要研究方向為航天器機械總體設(shè)計。

V423.5

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.006