全箭動(dòng)特性試驗(yàn)八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)適應(yīng)性分析

張永亮，李寶海，蘇 里，王鵬輝，于 瑾

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

0 引 言

大型運(yùn)載器的實(shí)尺寸動(dòng)特性試驗(yàn)是型號(hào)研制過(guò)程中的重要地面試驗(yàn)之一[1]。全箭動(dòng)特性是火箭結(jié)構(gòu)的固有特性，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等至關(guān)重要，通常采用全箭動(dòng)特性試驗(yàn)方法獲取動(dòng)特性數(shù)據(jù)。而實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器地面動(dòng)特性試驗(yàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵要素是模擬運(yùn)載器在空中的自由-自由邊界條件。目前中國(guó)全箭動(dòng)特性試驗(yàn)邊界模擬技術(shù)主要以彈簧-鋼索柔性懸吊支承為主，其部件均為機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，線性度好，制造與維護(hù)簡(jiǎn)單方便[2]。

彈簧-鋼索柔性懸吊支承針對(duì)長(zhǎng)征二號(hào)捆綁（CZ-2E）運(yùn)載火箭、長(zhǎng)征三號(hào)乙（CZ-3B）運(yùn)載火箭、長(zhǎng)征七號(hào)（CZ-7）運(yùn)載火箭等芯級(jí)捆綁助推的構(gòu)型[3]，由于其豎立停放狀態(tài)是芯級(jí)尾段承載，所以采用的是芯級(jí)四點(diǎn)懸掛系統(tǒng)，與無(wú)助推構(gòu)型一致。而長(zhǎng)征五號(hào)（CZ-5）運(yùn)載火箭雖然也是芯級(jí)捆綁助推的構(gòu)型，但是其豎立停放狀態(tài)是助推尾段承載，芯級(jí)尾段不承載。所以針對(duì)CZ-5火箭助推器承力的特點(diǎn)，全彈動(dòng)特性試驗(yàn)改變以往的四點(diǎn)懸掛系統(tǒng)采用全新的八點(diǎn)自由懸掛系統(tǒng)，每個(gè)助推器設(shè)置兩個(gè)懸掛點(diǎn)，四個(gè)助推形成八點(diǎn)自由懸掛系統(tǒng)[4]。

芯級(jí)承力四點(diǎn)自由懸掛時(shí)為靜態(tài)懸掛，將芯級(jí)吊裝入位與懸掛系統(tǒng)連接后，懸掛系統(tǒng)就處于靜止?fàn)顩r。助推器承力八點(diǎn)自由懸吊有所不同，屬于動(dòng)態(tài)懸掛。

CZ-5為兩級(jí)半構(gòu)型運(yùn)載火箭，CZ-5B為一級(jí)半構(gòu)型運(yùn)載火箭[3]，整流罩狀態(tài)差異較大，因此均開(kāi)展了全箭動(dòng)特性試驗(yàn)。CZ-5芯級(jí)和CZ-5B芯級(jí)質(zhì)量分布狀態(tài)差異明顯。八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式結(jié)合CZ-5和CZ-5B質(zhì)量分布差異，將導(dǎo)致助推和芯級(jí)各部段的受力狀態(tài)有所差異。

本文研究全箭動(dòng)特性試驗(yàn)八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)的適用性范圍，指導(dǎo)全箭動(dòng)特性試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，研究方法基于八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合CZ-5和CZ-5B運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)形式和試驗(yàn)質(zhì)量特性變化狀態(tài)。進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)靜力分析，同時(shí)對(duì)比分析狀態(tài)轉(zhuǎn)換模擬液加注泄出流程狀態(tài)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)受力變化規(guī)律，進(jìn)而得到優(yōu)化的模擬液加注泄出流程，確保試驗(yàn)安全。

1 自由懸吊系統(tǒng)

為了模擬運(yùn)載器飛行狀態(tài)自由-自由邊界條件，支承系統(tǒng)由懸吊系統(tǒng)（下支承）和橫向穩(wěn)定系統(tǒng)（上支承）組成。懸吊系統(tǒng)有作動(dòng)筒、蝶形彈簧、調(diào)節(jié)拉桿、鋼絲繩及連接件組成，并懸掛于振動(dòng)塔內(nèi)的井字梁上。橫向穩(wěn)定系統(tǒng)由橫向穩(wěn)定彈簧和安全環(huán)組成[5]。

目前中國(guó)的全箭動(dòng)特性試驗(yàn)的懸吊系統(tǒng)包括四點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)和八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。所以針對(duì)CZ-5火箭助推器承力的特點(diǎn)，全箭動(dòng)特性試驗(yàn)改變以往的四點(diǎn)懸掛系統(tǒng)采用全新的八點(diǎn)自由懸掛系統(tǒng)。

圖1 自由懸吊系統(tǒng)Fig.1 Free Suspension System

續(xù)圖1

CZ-5和CZ-5B采用相同的八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)。由于每個(gè)助推僅有兩個(gè)懸吊點(diǎn)，由于其結(jié)構(gòu)特性，每個(gè)助推的兩個(gè)懸吊點(diǎn)除承載功能，還釋放了助推相對(duì)懸掛點(diǎn)處的一個(gè)角自由度和兩個(gè)平動(dòng)自由度[6]。

圖2 八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)單個(gè)助推處結(jié)構(gòu)Fig.2 Eight-point Free Suspension System

2 全箭動(dòng)特性試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)比

CZ-5和CZ-5B構(gòu)型差別較大，均開(kāi)展了全箭動(dòng)特性試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地在新一代全箭振動(dòng)塔。振動(dòng)塔內(nèi)部試驗(yàn)工位總尺寸達(dá)18 m×18 m×75 m，懸掛承載能力達(dá)到1500 t[5]。塔內(nèi)除自由懸吊系統(tǒng)以外，還配有模擬液加注系統(tǒng)、激振測(cè)量及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。CZ-5和CZ-5B均采用八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)，也均采用蒸餾水模擬液氧、煤油貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑。

全箭動(dòng)特性參數(shù)在實(shí)際飛行過(guò)程中變化緩慢，工程上一般采用“凍結(jié)系數(shù)法”進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。在全箭動(dòng)特性試驗(yàn)中會(huì)選取關(guān)鍵的飛行秒狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，如起飛秒、最大動(dòng)壓秒、跨聲速秒等。而每個(gè)飛行秒狀態(tài)的狀態(tài)模擬，在結(jié)構(gòu)形式無(wú)變化的情況下，主要是通過(guò)模擬液加注系統(tǒng)，改變模擬液質(zhì)量實(shí)現(xiàn)。因此全箭動(dòng)特性試驗(yàn)中，不同飛行秒狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程的主要工作內(nèi)容是模擬液的加注或泄出。

由于加注和泄出過(guò)程中，相應(yīng)貯箱壓力有一定范圍的變化，為保護(hù)貯箱結(jié)構(gòu)安全，會(huì)對(duì)加注和排泄流程進(jìn)行優(yōu)化，一般加注順序由下向上：先助推煤油、助推氧，后芯級(jí)氧；排泄順序由上向下：先芯級(jí)氧、后助推氧、助推煤油。助推加注采用對(duì)稱(chēng)加注。加注順序要求：先助推煤油、助推氧，后芯級(jí)氧；排泄順序要求：先芯級(jí)氧、后助推氧、助推煤油。

因此模擬液加注和排泄過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量特性狀態(tài)不同于試驗(yàn)飛行秒狀態(tài)的質(zhì)量特性狀態(tài)。

CZ-5和CZ-5B采用的液氫、液氧和煤油推進(jìn)劑。在標(biāo)準(zhǔn)壓力和標(biāo)準(zhǔn)溫度下，液體推進(jìn)劑密度分別為：液氧，1136.6 kg/m3；液氫，70.432 kg/m3；煤油，836.5 kg/m3。而模擬液蒸餾水密度為1000 kg/m3。

CZ-5按照等質(zhì)量原則模擬，僅氧箱推進(jìn)劑在起飛時(shí)刻滿箱狀態(tài)的模擬受最大容積限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)等質(zhì)量模擬，其他均按等質(zhì)量模擬，且氫箱按空箱處理，所以CZ-5模擬液的加注量稍小于飛行狀態(tài)推進(jìn)劑質(zhì)量。CZ-5B按等體積模擬由于密度不同，相對(duì)于飛行介質(zhì)，CZ-5B液氧貯箱模擬液質(zhì)量減少，煤油貯箱模擬液質(zhì)量增加。但是總質(zhì)量也是稍小于飛行狀態(tài)推進(jìn)劑質(zhì)量，且氫箱也是按空箱處理，詳見(jiàn)表1。

表1 全箭試驗(yàn)各狀態(tài)質(zhì)量分析Tab.1 Integrated Launch Vehicle Test Mass Analysis of Each State

對(duì)比分析可見(jiàn)CZ-5按等質(zhì)量模擬狀態(tài)模擬偏差較小，但在起飛狀態(tài)質(zhì)量偏差較大。按等體積模擬質(zhì)量偏差大，但是在起飛時(shí)刻偏差小于等質(zhì)量模擬狀態(tài)。

CZ-5B按等體積模擬由于密度不同，相對(duì)于飛行介質(zhì)，CZ-5B液氧貯箱溶液質(zhì)量減少12.02%，煤油貯箱溶液質(zhì)量增加19.54%。其中在2 s狀態(tài)差值最大。通過(guò)分析表明，試驗(yàn)狀態(tài)下助推與芯級(jí)的質(zhì)量比，CZ-5B大于CZ-5。

3 受力分析

八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)通過(guò)助推尾段連接，實(shí)現(xiàn)全箭承載和自由邊界模擬，所以助推的載荷狀態(tài)較為復(fù)雜，特別是助推尾段載荷最為惡劣。

基于上述的技術(shù)狀態(tài)和分析結(jié)果，下面分析CZ-5和CZ-5B試驗(yàn)狀態(tài)的助推模塊受力狀態(tài)，圖3為助推模塊的受力分析，根據(jù)力和力矩平衡原理，可以計(jì)算得尾段的載荷狀態(tài)。除試驗(yàn)狀態(tài)載荷外還需考慮到狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中正常加泄流程下的載荷狀態(tài)。進(jìn)而確定系統(tǒng)載荷分布規(guī)律和最大載荷狀態(tài)。

利用下列方程可求出上下捆綁水平支撐力，進(jìn)而求得助推尾段的剪力載荷：

根據(jù)受力分析有：

G0不變，G1越大，F(xiàn)1越大。即助推質(zhì)量與芯級(jí)質(zhì)量之比越大，助推尾段下捆綁的載荷越大。由于助推下捆綁點(diǎn)為三捆綁拉桿形式，尾段在此捆綁點(diǎn)處主要受到剪力的作用。因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換加泄流程最大剪力載荷狀態(tài)按照助推貯箱加注至轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量狀態(tài)，芯級(jí)貯箱還是狀態(tài)轉(zhuǎn)換前的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行分析。而排泄流程按照芯級(jí)貯箱排泄至轉(zhuǎn)換后的質(zhì)量狀態(tài)，助推貯箱還是狀態(tài)轉(zhuǎn)換前的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行分析。

首先分析的是CZ-5全箭動(dòng)特性試驗(yàn)助推下捆綁剪力載荷，分析結(jié)果見(jiàn)圖4。分析結(jié)果表明，試驗(yàn)狀態(tài)起飛時(shí)刻的助推下捆綁剪切力為41 268 N。而73 s轉(zhuǎn)換至2 s的加注過(guò)程中，助推下捆綁剪切力最大達(dá)到了41 768 N。其次在2 s轉(zhuǎn)換至30 s的排泄過(guò)程中，助推下捆綁剪切力最大達(dá)到了41 719 N。其他狀態(tài)隨著總加注量的減少，助推下捆綁剪切力也隨之減小。因此起飛時(shí)刻（2 s）加注和排泄過(guò)程中是助推下捆綁剪切力最大的時(shí)刻。

圖4 CZ-5基本型助推尾段剪力載荷隨時(shí)間狀態(tài)變化Fig.4 CZ-5 Booster Tail Shearing Load Varies with the Second Status

CZ-5B全箭動(dòng)特性試驗(yàn)助推下捆綁剪力載荷，分析結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，試驗(yàn)狀態(tài)起飛時(shí)刻的下捆綁剪切力為48 108 N。而66 s轉(zhuǎn)換至2 s的加注過(guò)程中，助推下捆綁剪切力最大達(dá)到了49 617 N。其次在2 s轉(zhuǎn)換至46 s的排泄過(guò)程中，助推下捆綁剪切力最大達(dá)到了49 147 N。其他狀態(tài)隨著總加注量的減少，助推下捆綁剪切力也隨之減小。因此起飛時(shí)刻（2 s）加注和排泄過(guò)程中是助推下捆綁剪切力最大的時(shí)刻。

圖5 CZ-5B助推尾段剪力載荷隨時(shí)間狀態(tài)變化Fig.5 CZ-5B Booster Tail Shearing Load Varies with the Second Status

由圖4和圖5結(jié)果對(duì)比可知，試驗(yàn)狀態(tài)下CZ-5B助推尾段的剪力載荷是CZ-5的116.6%，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)CZ-5B助推尾段的剪力載荷是CZ-5的118.8%，最大剪力載荷達(dá)到了49617 N。

而狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中按原有優(yōu)化原則的加注泄出流程進(jìn)行操作，將導(dǎo)致比試驗(yàn)狀態(tài)還要大的載荷狀態(tài)。其中CZ-5狀態(tài)轉(zhuǎn)換助推尾段的剪力載荷是試驗(yàn)狀態(tài)的101.2%，CZ-5B狀態(tài)轉(zhuǎn)換助推尾段的剪力載荷是試驗(yàn)狀態(tài)的103.1%。

工程實(shí)際中，助推之間載荷狀態(tài)存在一定不一致性，助推尾段的剪力載荷可能更大。如果較大的剪切載荷，將增大結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 流程優(yōu)化分析

由于CZ-5的載荷狀態(tài)的安全余量在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，因此在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的加注泄出流程上，可按照正常流程開(kāi)展實(shí)施。但是CZ-5B的載荷狀態(tài)的安全余量較小，考慮助推之間載荷的不一致性，有影響安全余量的風(fēng)險(xiǎn)。為降低加注泄出過(guò)程中助推尾段的載荷，對(duì)加注流程進(jìn)行優(yōu)化。

加泄流程優(yōu)化方案：

a）加注過(guò)程：首先加注芯級(jí)貯箱模擬液至要求狀態(tài)，然后加注助推貯箱的模擬液至要求狀態(tài)；

b）泄出過(guò)程：首先泄出助推貯箱的模擬液至要求狀態(tài)，然后泄出芯級(jí)貯箱的模擬液至要求狀態(tài)；

CZ-5B起飛時(shí)刻（2 s）和跨聲速（46 s）優(yōu)化后的助推載荷狀態(tài)最大值與試驗(yàn)狀態(tài)載荷一致。最大動(dòng)壓（66 s）以后的其他狀態(tài)載荷狀態(tài)均不超過(guò)CZ-5狀態(tài)，所以，僅需對(duì)起飛時(shí)刻（2 s）和跨聲速（46 s）進(jìn)行加泄流程優(yōu)化。

為保證起飛時(shí)刻（2 s）試驗(yàn)狀態(tài)的安全實(shí)施，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)助推和芯級(jí)進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)及防護(hù)方案。

變形監(jiān)測(cè)及防護(hù)方案：在每組懸掛系統(tǒng)上的油缸內(nèi)配備測(cè)力裝置，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)懸掛點(diǎn)的受力情況。同時(shí)在每個(gè)助推承力框下面均布放置3個(gè)支撐柱，支撐柱與承力框留有安全距離，起到傾倒限位的防護(hù)作用。同時(shí)在每個(gè)助推的承力框上安裝絕對(duì)傾角傳感器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)傳感器安裝Fig.6 Installation of the Monitor Sensor

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)了CZ-5B最大動(dòng)壓（66 s）至起飛時(shí)刻（2 s）的4個(gè)助推尾段下端面至芯級(jí)的相對(duì)距離及助推承力框的絕對(duì)傾角，用于測(cè)量八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)釋放角自由度的狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果主要關(guān)心變化量。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.4 Monitoring Results

表4結(jié)果表明，傾角變化大，助推尾段下端面和芯級(jí)尾段之間的位移變化也大，符合物理規(guī)律。同時(shí)最大的傾角和位移發(fā)生在助推II和助推III。反映了助推及試驗(yàn)系統(tǒng)的狀態(tài)差異性。經(jīng)過(guò)上述分析和采取的相關(guān)措施，試驗(yàn)最終安全順利完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

CZ-5和CZ-5B運(yùn)載火箭構(gòu)型差異，推進(jìn)劑加注量差異及模擬液模擬原則差異，結(jié)合助推模塊在八點(diǎn)自由懸吊系統(tǒng)支撐的狀態(tài)下的受力分析結(jié)果表明，CZ-5運(yùn)載火箭按照正常的流程狀態(tài)轉(zhuǎn)換，助推尾段的載荷具有一定的安全余量，而CZ-5B運(yùn)載火箭在起飛狀態(tài)（2 s）助推尾段的剪力載荷增大至CZ-5載荷的116.6%。狀態(tài)轉(zhuǎn)換助推尾段的剪力載荷增大至CZ-5載荷的118.8%。較高的載荷有影響助推尾段結(jié)構(gòu)安全余量的風(fēng)險(xiǎn)。為保證試驗(yàn)的安全，CZ-5B運(yùn)載火箭動(dòng)特性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化模擬液加注泄出流程，并采取了防護(hù)和監(jiān)測(cè)。最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了優(yōu)化方案的有效性。針對(duì)CZ-5準(zhǔn)備的八點(diǎn)自由懸掛自由邊界模擬系統(tǒng)，由于其動(dòng)態(tài)懸掛的特點(diǎn)，在特殊情況下不適用于CZ-5B運(yùn)載火箭。因此全箭動(dòng)特性試驗(yàn)實(shí)施方案策劃之初需對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性分析，確定試驗(yàn)的安全有效開(kāi)展。