主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力航天器推進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳 佳，顧鋮璋，林仁邦，劉 濤，趙學(xué)成，陳 誠(chéng)

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 引言

近年來(lái)，隨著大型航天器研制需求的不斷發(fā)展，運(yùn)載火箭運(yùn)能制約問(wèn)題日益突顯。為滿足發(fā)射需求，降低對(duì)火箭運(yùn)能要求，必須對(duì)航天器實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)[1-2]。而推進(jìn)平臺(tái)通常作為航天器重量占比最高的部組件，其輕量化設(shè)計(jì)是進(jìn)一步提升航天器任務(wù)效率和優(yōu)化系統(tǒng)性能的重要突破口。

貯箱布局是推進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一[3]。國(guó)內(nèi)外大型航天器推進(jìn)平臺(tái)構(gòu)型主要包括貯箱串聯(lián)或并聯(lián)式中心承力筒構(gòu)型、外承力筒構(gòu)型、桿系構(gòu)型、混合式構(gòu)型和貯箱承力式構(gòu)型等五大類。例如，以美國(guó)Centaur、Minotaur上面級(jí)[4]推進(jìn)平臺(tái)為代表，均采用與運(yùn)載芯級(jí)相類似的貯箱承力式構(gòu)型，泵壓式推進(jìn)貯箱既起到推進(jìn)劑貯存的作用，又作為主結(jié)構(gòu)直接參與推進(jìn)平臺(tái)傳力；俄羅斯的Fregat上面級(jí)[5]采用的則是桿系構(gòu)型， 8根主承力撐桿貫穿于泵壓式球形貯箱，直接與下方運(yùn)載火箭對(duì)接；歐洲應(yīng)用廣泛的Eurostar-E3000衛(wèi)星平臺(tái)[6]和我國(guó)SAST5000衛(wèi)星平臺(tái)[7]采用的是貯箱并聯(lián)式中心承力筒構(gòu)型，球柱形擠壓式貯箱通過(guò)貯箱板安裝，并通過(guò)貯箱板和拉桿將載荷傳遞至中心承力筒；俄羅斯Express-3000衛(wèi)星平臺(tái)[8]、歐洲Spacebus 4000衛(wèi)星平臺(tái)[9]和我國(guó)DFH-4衛(wèi)星平臺(tái)[10]采用的是貯箱串聯(lián)式中心承力筒構(gòu)型，球形擠壓式貯箱沿軸向串聯(lián)安裝于中心承力筒內(nèi)部；我國(guó)貨運(yùn)飛船推進(jìn)艙[11]和嫦娥五號(hào)推進(jìn)艙均采用的是外承力筒構(gòu)型，球形擠壓式貯箱分別安裝在2個(gè)推進(jìn)球冠上，并與外側(cè)承力筒通過(guò)法蘭連接和裝配。

綜上，以上面級(jí)為代表的航天器推進(jìn)平臺(tái)具有加注重量大、推力要求高的特點(diǎn)，故仍多采用大推力泵壓式貯箱，并因工作內(nèi)壓低及自身具有制造簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，通?？稍O(shè)計(jì)為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式參與推進(jìn)平臺(tái)承力；對(duì)于加注重量較小、在軌周期長(zhǎng)和微重力環(huán)境下的空間飛行器，便于推進(jìn)劑管理及穩(wěn)定輸出的擠壓式貯箱則具備不可替代的優(yōu)勢(shì)。截止目前，鑒于擠壓式貯箱構(gòu)型尺寸小、工作內(nèi)壓高的特點(diǎn)以及航天器系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)需要，以國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星和飛船為代表的航天器推進(jìn)平臺(tái)仍多采用雙傳力路徑的設(shè)計(jì)理念，即擠壓式貯箱不參與或極少參與推進(jìn)平臺(tái)承載，推進(jìn)平臺(tái)需要通過(guò)局部增強(qiáng)設(shè)計(jì)，或增設(shè)貯箱板、推進(jìn)球冠、拉桿等輔助承力構(gòu)件將貯箱載荷傳遞至主結(jié)構(gòu)，降低了推進(jìn)平臺(tái)的承載效率。但隨著航天設(shè)計(jì)技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)的不斷發(fā)展和積累，使大型航天器推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力的設(shè)計(jì)理念變得可行。

本文提出一種主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力的推進(jìn)平臺(tái)構(gòu)型，旨在簡(jiǎn)化傳力路徑，提升結(jié)構(gòu)承載效率。通過(guò)有限元優(yōu)化、分析和地面試驗(yàn)驗(yàn)證表明，本文提出的設(shè)計(jì)方案可有效提升推進(jìn)平臺(tái)承載效率，可以作為大型航天器推進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)參考。

1 推進(jìn)平臺(tái)構(gòu)型設(shè)計(jì)

假設(shè)有一種主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力的推進(jìn)平臺(tái)構(gòu)型，如圖1所示。

圖1 主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力的推進(jìn)平臺(tái)構(gòu)型

整個(gè)推進(jìn)平臺(tái)上方與航天器有效載荷艙連接，下方與運(yùn)載連接；推進(jìn)平臺(tái)包括4個(gè)球形貯箱、1個(gè)貯箱承力筒；球形貯箱沿周向均布平鋪布局，貯箱法蘭平面與主結(jié)構(gòu)的貯箱承力筒軸線平行，并通過(guò)嵌入安裝的形式，分別與貯箱承力筒側(cè)壁法蘭進(jìn)行連接；在貯箱承力筒中心位置和貯箱安裝中間位置分別布置推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和氣瓶。

上述推進(jìn)構(gòu)型中，貯箱布局緊湊，重心低，且主結(jié)構(gòu)的貯箱承力筒與貯箱組成閉合承力結(jié)構(gòu)，共同參與推進(jìn)平臺(tái)承力，可有效提升推進(jìn)平臺(tái)的承載效率。同時(shí)，該推進(jìn)平臺(tái)主體仍采用承力筒構(gòu)型，自身具有較高的抗彎剛度和抗扭剛度，有利于保證航天器的整器基頻滿足要求。

2 推進(jìn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 貯箱設(shè)計(jì)

航天器推進(jìn)平臺(tái)選用的擠壓式貯箱種類主要包括：表面張力貯箱、膜片貯箱、囊式貯箱等多種[12]。其中，表面張力貯箱通常為全金屬焊接結(jié)構(gòu)[13-14]，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，故其承載后的功能可靠性較高。同時(shí)，表面張力貯箱具有重量輕、排空效率高等優(yōu)點(diǎn)，是航天器推進(jìn)平臺(tái)首選的貯箱形式[15]。鑒于上述分析，本文推進(jìn)平臺(tái)貯箱優(yōu)選表面張力貯箱。

常規(guī)表面張力貯箱連接法蘭通常設(shè)計(jì)在貯箱赤道面位置處，并與2個(gè)半球殼體在靠近赤道面位置處進(jìn)行焊接，貯箱的進(jìn)/出接嘴則設(shè)計(jì)在貯箱兩極位置，具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。上述布局在實(shí)現(xiàn)貯箱法蘭均勻受力的同時(shí)，可以最大限度地保證推進(jìn)劑的排空效率。

圖2 表面張力貯箱典型結(jié)構(gòu)形式

在主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力推進(jìn)平臺(tái)構(gòu)型中，為滿足貯箱嵌入安裝的需求，貯箱連接法蘭需設(shè)計(jì)在與赤道面呈90°夾角的平面位置，進(jìn)/出接嘴局部則需在原兩極位置進(jìn)行微調(diào)，以避讓貯箱連接法蘭。貯箱進(jìn)/出接嘴位置微調(diào)對(duì)推進(jìn)劑排空率影響極小，假設(shè)進(jìn)/出接嘴軸線微調(diào)角度為15°，其對(duì)推進(jìn)劑排空率的影響小于0.2%，影響可以忽略。

常規(guī)貯箱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要針對(duì)其在軌內(nèi)壓工況開展。與常規(guī)貯箱產(chǎn)品相比，新平臺(tái)貯箱需要與主結(jié)構(gòu)共同參與平臺(tái)的發(fā)射段承載，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)需兼顧在軌和發(fā)射段2種主要載荷工況。但平臺(tái)的發(fā)射段載荷形式以軸向載荷為主，球形、球柱形貯箱的軸向承載效率顯著低于承力筒式平臺(tái)主結(jié)構(gòu)，從提升平臺(tái)效率角度出發(fā)，貯箱結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)仍應(yīng)以在軌內(nèi)壓工況為主，并通過(guò)調(diào)節(jié)貯箱發(fā)射段預(yù)增壓壓力，釋放貯箱強(qiáng)度裕度，在保證其工作安全性的前提下，高效參與平臺(tái)承載。

另外，在工藝實(shí)施層面，針對(duì)貯箱受力形式的改變，對(duì)貯箱連接法蘭與半球殼體焊接的翻邊進(jìn)行加寬設(shè)計(jì)，使焊縫位置遠(yuǎn)離貯箱連接法蘭面，降低平臺(tái)載荷對(duì)焊縫處承載可靠性的影響。

經(jīng)上述改進(jìn)后，表面張力貯箱的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 表面張力貯箱改進(jìn)后結(jié)構(gòu)形式

2.2 主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)包括筒體、貯箱安裝法蘭兩大部分。其中，筒體為主承力部件，起承載和傳遞載荷艙、貯箱載荷的作用；貯箱安裝法蘭則主要為貯箱提供安裝接口，并提供剛度支撐。推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)組成

推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要的力學(xué)約束條件有2項(xiàng)：

1)主結(jié)構(gòu)與貯箱組成的共承力推進(jìn)平臺(tái)需滿足航天器整器的基頻設(shè)計(jì)要求；

2)在滿足推進(jìn)平臺(tái)承載要求的前提下，從貯箱安全性設(shè)計(jì)角度出發(fā)，必須將貯箱的承載量級(jí)控制在安全范圍以內(nèi)。

考慮到大系統(tǒng)接口的重要性，基于貯箱強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在確定了貯箱殼體結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)和發(fā)射段預(yù)增壓壓力的前提下，推進(jìn)平臺(tái)的主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮滿足整器基頻要求。同時(shí)，為提升結(jié)構(gòu)效率，推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)采用變剛度設(shè)計(jì)，即按照主結(jié)構(gòu)承載特點(diǎn)，對(duì)主結(jié)構(gòu)不同區(qū)域剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。在滿足整器基頻設(shè)計(jì)要求后，依據(jù)具體載荷條件，對(duì)主結(jié)構(gòu)和貯箱殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，必要時(shí)對(duì)主結(jié)構(gòu)采取局部加強(qiáng)的方式，降低貯箱殼體的承載量級(jí)，使之不超出在軌工作工況下的最大內(nèi)應(yīng)力水平，確保貯箱工作安全。

3 具體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

假設(shè)某航天器推進(jìn)平臺(tái)采用主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力設(shè)計(jì)方案。該推進(jìn)平臺(tái)上方與載荷艙通過(guò)8個(gè)分離螺母連接，下方與運(yùn)載火箭通過(guò)包帶連接，其主要構(gòu)型尺寸和整器基頻約束如表1所示。

表1 構(gòu)型尺寸和基頻約束

推進(jìn)平臺(tái)載荷工況主要是載荷艙和貯箱(加注狀態(tài))的主動(dòng)段過(guò)載，具體如表2所示。

表2 推進(jìn)平臺(tái)載荷工況

推進(jìn)平臺(tái)設(shè)置有4個(gè)表面張力貯箱，其中，氧箱和燃箱數(shù)量各為2個(gè)，其殼體結(jié)構(gòu)均采用相同的設(shè)計(jì)參數(shù)，具體如表3所示(貯箱材料為TC4)。

表3 貯箱基本參數(shù)

推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)筒體和貯箱安裝法蘭的具體設(shè)計(jì)需依據(jù)各自的受力特點(diǎn)開展。其中，筒體主要受軸向載荷作用，故本實(shí)例中筒體采用整體性好且軸向承載效率較高的鋁合金加筋壁板結(jié)構(gòu)形式。貯箱安裝法蘭起傳遞貯箱載荷和貯箱維形的作用，需優(yōu)先保證結(jié)構(gòu)的整體剛度，故貯箱安裝法蘭采用一體式鋁合金硬殼結(jié)構(gòu)形式。

按照上述推進(jìn)平臺(tái)貯箱和主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，本文以Nastran軟件為優(yōu)化分析平臺(tái)，對(duì)推進(jìn)平臺(tái)貯箱和主結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模和主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化[16-17]。

具體建模過(guò)程中，采用二維shell單元模擬貯箱殼體、貯箱安裝法蘭硬殼結(jié)構(gòu)和筒體加筋壁板結(jié)構(gòu)；考慮到推進(jìn)平臺(tái)下方與運(yùn)載火箭通過(guò)包帶連接，上方與載荷艙通過(guò)8個(gè)分離螺母連接，對(duì)應(yīng)有限元模型下端施加固支約束，上方通過(guò)集中質(zhì)量點(diǎn)模擬載荷艙質(zhì)量屬性，并與推進(jìn)平臺(tái)上端通過(guò)建立MPC約束模擬8點(diǎn)連接；貯箱與主結(jié)構(gòu)螺栓連接處同樣通過(guò)建立MPC約束進(jìn)行模擬。推進(jìn)平臺(tái)有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

貯箱推進(jìn)劑質(zhì)量屬性的定義將對(duì)推進(jìn)平臺(tái)模態(tài)的分析結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。崔高偉通過(guò)虛擬質(zhì)量法和集中質(zhì)量法對(duì)比分析，明確虛擬質(zhì)量法可通過(guò)施加附加質(zhì)量矩陣，實(shí)現(xiàn)不可壓縮流體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，可以更為真實(shí)地反映出液體推進(jìn)劑對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的影響[18]。林子欽通過(guò)虛擬質(zhì)量法計(jì)算了半充液圓柱殼的固有頻率,驗(yàn)證了該方法的可行性,并且顯示了虛擬質(zhì)量法在計(jì)算流固耦合問(wèn)題的準(zhǔn)確性和高效性[19]。綜上，本實(shí)例采用虛擬質(zhì)量法對(duì)推進(jìn)平臺(tái)推進(jìn)劑屬性進(jìn)行定義。

按照主結(jié)構(gòu)方案的初步設(shè)計(jì)和分析結(jié)果，本實(shí)例中，以整器橫向一階基頻≥12 Hz作為關(guān)鍵約束條件，以主結(jié)構(gòu)重量最小作為優(yōu)化目標(biāo)。結(jié)合主結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照主結(jié)構(gòu)變剛度設(shè)計(jì)思路，對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化區(qū)域劃分。其中，為將優(yōu)化工作量控制在工程可行范圍內(nèi)，并考慮到筒體開口尺寸協(xié)調(diào)需要，對(duì)筒體筋條數(shù)量及尺寸進(jìn)行了設(shè)定，筒體按加筋壁板的網(wǎng)格分布進(jìn)行多區(qū)域劃分，見圖5；貯箱安裝法蘭則因其整體剛度設(shè)計(jì)和機(jī)加工工藝實(shí)施需求，將其作為單優(yōu)化區(qū)域。通過(guò)對(duì)相關(guān)區(qū)域結(jié)構(gòu)的厚度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出貯箱安裝法蘭整體壁厚和筒體各網(wǎng)格區(qū)域壁厚的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。主結(jié)構(gòu)形式如圖6所示,優(yōu)化后設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

圖6 主結(jié)構(gòu)產(chǎn)品示意

表4 主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

通過(guò)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化，得出筒體加筋壁板的筋條數(shù)量為60，筋條高度和寬度為10 mm；貯箱安裝法蘭的壁厚值優(yōu)化為5.5 mm；筒體加筋壁板的網(wǎng)格壁厚值優(yōu)化為1.5～4.6 mm不等，厚度分布見圖7，其中，因大厚度區(qū)域集中在靠近前端框的8個(gè)連接點(diǎn)區(qū)域、相鄰貯箱之間的狹窄區(qū)域和靠近后端框區(qū)域，與所述區(qū)域的連接剛度和傳力設(shè)計(jì)預(yù)期吻合。

圖7 厚度分布

上述推進(jìn)平臺(tái)總裝狀態(tài)干重(未加注狀態(tài)質(zhì)量)為410 kg，僅占推進(jìn)平臺(tái)總質(zhì)量(滿加注狀態(tài)質(zhì)量3 030 kg)的13.6%。

按照主結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)有限元模型參數(shù)進(jìn)行更新，通過(guò)開展模態(tài)分析得出，整器橫向一階基頻為13.4 Hz，縱向一階基頻為32.2 Hz。上述分析數(shù)據(jù)與整器地面振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性良好，均滿足整器基頻的約束要求，見圖8和表5。模態(tài)分析和振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，推進(jìn)平臺(tái)剛度薄弱區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)在貯箱安裝位置，說(shuō)明基于主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力的設(shè)計(jì)理念，并通過(guò)合理優(yōu)化主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以較好地保證推進(jìn)平臺(tái)剛度的整體均勻性，達(dá)到與常規(guī)推進(jìn)平臺(tái)相同的剛度效果。

圖8 整器模態(tài)分析及振動(dòng)試驗(yàn)示意

表5 模態(tài)結(jié)果

推進(jìn)平臺(tái)載荷工況主要是貯箱內(nèi)壓載荷和載荷艙、貯箱(加注狀態(tài))的主動(dòng)段過(guò)載。其中，載荷艙和貯箱的橫向過(guò)載將對(duì)主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩載荷M作用(載荷方向不限)，并以下端區(qū)域最為嚴(yán)酷。強(qiáng)度分析和靜力試驗(yàn)過(guò)程中，為達(dá)到對(duì)全部主結(jié)構(gòu)和貯箱的有效考核，將下端彎矩載荷M簡(jiǎn)化為軸向力[20]，并與原有軸向力P一同作用在主結(jié)構(gòu)上端如下式

Pd=P+4M/d

(1)

式中d為主結(jié)構(gòu)筒體直徑。

通過(guò)強(qiáng)度分析得出，推進(jìn)平臺(tái)主結(jié)構(gòu)最小強(qiáng)度裕度為0.83，貯箱殼體最小強(qiáng)度裕度為1.80。上述分析數(shù)據(jù)與推進(jìn)平臺(tái)靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性良好，如圖9和表6所示，均滿足推進(jìn)平臺(tái)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。通過(guò)提取貯箱安裝中心面處有限元節(jié)點(diǎn)載荷得出，貯箱結(jié)構(gòu)在推進(jìn)平臺(tái)中軸向承載占比為32.4%；貯箱與主結(jié)構(gòu)形成封閉構(gòu)型，使主結(jié)構(gòu)加筋壁板的抗屈曲失效能力提升高達(dá)243%。在具體工程應(yīng)用中，貯箱應(yīng)力水平可通過(guò)主結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制在合理范圍，即在提升推進(jìn)平臺(tái)承載效率的同時(shí)，保證貯箱的工作安全性。

圖9 推進(jìn)平臺(tái)強(qiáng)度分析及靜力試驗(yàn)示意

表6 強(qiáng)度結(jié)果

實(shí)例計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力的推進(jìn)平臺(tái)構(gòu)型可以滿足其作為航天器推進(jìn)平臺(tái)承力的條件。經(jīng)估算，該方案中推進(jìn)平臺(tái)總裝狀態(tài)干重(未加注狀態(tài)質(zhì)量)占推進(jìn)平臺(tái)總質(zhì)量(滿加注狀態(tài)質(zhì)量)比例僅為13.6%，在航天器推進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中屬于效率較高的，與典型航天器推進(jìn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)效率對(duì)比情況如表7所示。

表7 結(jié)構(gòu)效率對(duì)比

4 結(jié)論

提出了一種主結(jié)構(gòu)與貯箱共承力的推進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，證明了該設(shè)計(jì)理念的技術(shù)可行性。結(jié)合具體實(shí)例，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，推進(jìn)平臺(tái)干重占比僅為13.6%，在航天器推進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中屬于效率較高的。該設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法可作為今后大型航天器推進(jìn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)參考。