運(yùn)載火箭超臨界氦貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)研究

邢力超 許 光 鄭茂琦 徐珊珊 張立強(qiáng)

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076)

(2 深低溫技術(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100076)

1 引言

隨著中國(guó)航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展,運(yùn)載火箭的重型化及長(zhǎng)期在軌能力需求不斷增加,使得火箭增壓系統(tǒng)需要攜帶的氣量越來越大,傳統(tǒng)的增壓方式如冷氦增壓、自生增壓、常溫氣體增壓方案已很難滿足新的需求。超臨界氦增壓系統(tǒng)以低壓狀態(tài)貯存液氦,貯存密度約為常溫氦氣的8 倍,因而它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),并且避免了高壓貯存,增加了火箭的安全性。因此,超臨界氦增壓技術(shù)受到重型運(yùn)載、深空探測(cè)型號(hào)的格外關(guān)注[1]。

液氦貯罐是超臨界氦增壓系統(tǒng)的核心部件,其內(nèi)部貯存液氦,工作溫度為4.2K,工作壓力為2 MPa,因此液氦貯罐要具有高絕熱、高強(qiáng)度和良好的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性,還要盡可能的實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。高絕熱性能保證了貯罐在液氦加注后的待發(fā)時(shí)間,決定其內(nèi)部壓力和溫度上升所允許的范圍;其高強(qiáng)度和良好的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性說明了貯罐要具有良好的承受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷能力,保證在加注后及飛行振動(dòng)環(huán)境下正常工作。由于液氦貯罐多采用高真空絕熱結(jié)構(gòu),需要在真空外殼和貯存液氦的內(nèi)殼間設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)要具有低漏熱、高強(qiáng)度及抗振性,因此支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是超臨界氦貯罐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù),本文擬對(duì)空間應(yīng)用的液氦貯罐支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,設(shè)計(jì)重型運(yùn)載火箭超臨界氦貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式,通過仿真分析手段驗(yàn)證內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)方案的可行性。

2 空間低溫容器支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況

自1960 年開始,國(guó)際宇航、深空探測(cè)領(lǐng)域針對(duì)深低溫容器進(jìn)行了探索性的研制工作,如歐空局阿里安V(Ariane V)火箭應(yīng)用了超臨界氦貯罐,此外,部分深空探測(cè)器也采用超臨界氦甚至超流氦用于敏感元件冷卻,如IBSS、ISO、SIRTF、Herschel 空間探測(cè)器等。這些空間應(yīng)用的低溫貯罐均為高真空絕熱結(jié)構(gòu),其內(nèi)、外殼支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前提下滿足低漏熱要求。

阿里安V 火箭上的超臨界氦貯罐內(nèi)容器通過兩個(gè)鎳基高溫合金材料制成的柱狀支撐結(jié)構(gòu)與外殼連接,該支撐結(jié)構(gòu)考慮了力學(xué)和熱力學(xué)設(shè)計(jì),保證支撐結(jié)構(gòu)具有抗翹曲變形的最小厚度,且通過熱傳導(dǎo)輸入的熱量降到最低限度。另外,上部的支撐結(jié)構(gòu)采用中空形式,便于超臨界氦貯罐的加注管、增壓管及傳感器導(dǎo)線的布置[2],具體支撐結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 阿里安V 超臨界氦貯罐支撐結(jié)構(gòu)Fig.1 Inner supporting structure in supercritical helium tank of Ariane V

英國(guó)的詹姆斯-克拉克-麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(JCMT)1 K 溫區(qū)貯箱的冷鏈懸吊系統(tǒng)應(yīng)用了芳族聚酰胺纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(凱夫拉纖維)支撐技術(shù),該支撐結(jié)構(gòu)為mK 溫區(qū)的設(shè)備提供支撐,使其與1 K 的外壁形成絕熱固定,支撐結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過熱負(fù)載監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該支撐結(jié)構(gòu)漏熱僅占總熱量的2%[3]。

圖2 JCMT 系統(tǒng)的凱夫拉支撐帶懸吊技術(shù)Fig.2 Kevlar Suspension parts of JCMT

NASA 的格林研究中心(GRC)為了實(shí)現(xiàn)空間用支撐結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上達(dá)到最小漏熱的需求,開展了被動(dòng)在軌非連接支撐結(jié)構(gòu)(PODS)研究[4],如圖3 所示。該支撐結(jié)構(gòu)在載荷較大工況時(shí),如火箭起飛階段,支撐柱承載被壓縮,載荷和熱量通過粗壯的碳纖維復(fù)合材料管構(gòu)件進(jìn)行傳遞,傳遞路徑較短,這樣可滿足短期對(duì)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求;而在載荷變小時(shí),如空間的自由飛行階段,支撐結(jié)構(gòu)被拉長(zhǎng),銷不再接觸桿,載荷和熱量通過小直徑的碳纖維復(fù)合材料管進(jìn)行傳遞,傳遞路徑長(zhǎng),這樣可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在軌的最小漏熱量。通過系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試,表明該支撐結(jié)構(gòu)漏熱減小了90%,PODS 已經(jīng)成功應(yīng)用于地球探測(cè)器B(Gravity Probe-B)項(xiàng)目。

圖3 PODS 支撐柱結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure composition of PODS

另外,“紅外背景信號(hào)測(cè)量(IBSS)”衛(wèi)星、“宇宙背景探測(cè)者(COBE)” 衛(wèi)星[5]、“紅外天文望遠(yuǎn) 鏡(IRAS)”系統(tǒng)上[6]均使用了超流氦貯箱。為了減少超流氦貯箱的漏熱,支撐系統(tǒng)由固定在外殼上的鈦制張力調(diào)整機(jī)構(gòu)、固定在內(nèi)箱外部的鈦制夾具和多根張力索組成。每根張力索由多個(gè)支撐帶連接而成,支撐帶之間采用鈦制螺栓連接,將液氦內(nèi)箱和絕熱屏懸置固定于真空外殼內(nèi)部。由于接觸面積非常小,這種方式可以最大限度的降低內(nèi)外層之間的熱傳導(dǎo),圖4 為該真空懸置裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖4 IBSS 的低溫真空容器懸置裝置Fig.4 Tension strap support configuration of IBSS

3 低溫容器內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

對(duì)于空間應(yīng)用的低溫貯罐,其內(nèi)部貯存低溫介質(zhì)的容器都必須通過支撐結(jié)構(gòu)部件與處于環(huán)境溫度的外殼相連接,該支撐結(jié)構(gòu)工作在復(fù)雜的力熱環(huán)境中,其設(shè)計(jì)的基本原則如下:

(1)足夠的支撐強(qiáng)度和抗振性能。貯罐需要承受火箭飛行的惡劣振動(dòng)環(huán)境,其對(duì)強(qiáng)度、抗振性能的要求較高。另外,貯罐加注后支撐件受冷后收縮變形,其形成較大的附加熱應(yīng)力,應(yīng)采取一定的措施加以改善。例如采用支撐結(jié)構(gòu)一端固定,另一端不固定的形式。

(2)良好的絕熱性能。真空低溫貯罐漏熱包括絕熱體綜合漏熱及容器支撐結(jié)構(gòu)、頸管、管道等機(jī)械構(gòu)件的漏熱。從以往低溫壓力容器數(shù)據(jù)調(diào)研中可知,一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的低溫容器通過機(jī)械構(gòu)件的漏熱不應(yīng)超過總漏熱的30%—50%,因此支撐形式設(shè)計(jì)好壞將嚴(yán)重影響容器的絕熱性能。

(3)較輕的結(jié)構(gòu)重量。對(duì)于空間應(yīng)用的低溫貯罐的支撐材料應(yīng)具有較輕的結(jié)構(gòu)質(zhì)量,以提高結(jié)構(gòu)效率,降低發(fā)射成本。選用的材料在考慮力學(xué)性能和絕熱性能的同時(shí),還要關(guān)注輕量化性能。

(4)較高的可靠性。如果貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,會(huì)導(dǎo)致貯罐泄漏、爆炸等嚴(yán)重后果,因此貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后要通過充分的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)分析,改進(jìn)薄弱部位,同時(shí)要通過地面試驗(yàn)來驗(yàn)證方案的可行性,提高貯罐的可靠性。

3.1 支撐結(jié)構(gòu)的材料選擇

低溫系統(tǒng)上使用的支撐結(jié)構(gòu)要兼顧良好的強(qiáng)度、絕熱性能和較輕的重量,常用λ/σ(導(dǎo)熱系數(shù)/強(qiáng)度)、λ/E(導(dǎo)熱系數(shù)/模量)、σ/ρ(強(qiáng)度/密度)和E/ρ(模量/密度)等參數(shù)表征材料的性能。其中,λ/σ和λ/E越低表明材料在保證有效強(qiáng)度下通過材料的熱傳導(dǎo)的漏熱量越小;σ/ρ和E/ρ越高表明在保證有效強(qiáng)度下材料重量越輕。據(jù)此,低溫系統(tǒng)中可選用不銹鋼、鈦合金、高溫合金等金屬材料或凱夫拉纖維、玻璃鋼、聚四氟乙烯等非金屬作為支撐結(jié)構(gòu)。由于一般非金屬材料約是金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)的十分之一,如果強(qiáng)度允許,深低溫情況下支撐元件使用的材料可以選用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等非金屬材料。劉康等對(duì)支撐結(jié)構(gòu)常用的金屬材料和非金屬材料進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)對(duì)纖維復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究[7]。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)形式

支撐帶和支撐管(柱)作為支撐結(jié)構(gòu)元件被廣泛的應(yīng)用于低溫系統(tǒng)中。一般根據(jù)支撐作用的方式來進(jìn)行選擇,支撐帶主要承受拉伸載荷,而支承管(柱)主要承受壓縮載荷。

3.2.1 支撐帶

低溫系統(tǒng)上應(yīng)用的支撐帶通常為復(fù)合材料,由纖維結(jié)合樹脂后繞型芯軸單向纏繞成型。單向纖維纏繞的復(fù)合材料支撐帶可在縱向上提供更高的強(qiáng)度和剛度性能,該類型支撐帶常用于核磁共振元件、杜瓦以及航天器設(shè)備的支撐。支撐系統(tǒng)一般設(shè)置6 至8條支撐帶,安裝在不同角度以平衡常、低溫結(jié)構(gòu)間的作用力,常、低溫結(jié)構(gòu)上采用線軸或承載銷進(jìn)行固定。在空間結(jié)構(gòu)允許下,應(yīng)盡可能加長(zhǎng)支撐帶,以增大常、低溫結(jié)構(gòu)間的傳熱路徑[8]。采用支撐帶結(jié)構(gòu)的低溫容器可參見圖5 所示。

圖5 低溫系統(tǒng)中支撐帶結(jié)構(gòu)形式示意圖Fig.5 Sketch of straps in cryogenic system

3.2.2 支撐管(柱)

考慮到結(jié)構(gòu)重量因素,空間低溫容器采用的支撐管(柱)材料多為鈦合金或復(fù)合材料制成。其中纖維復(fù)合材料支撐管(柱)的成型方式有纏繞成型、定方向拉擠成型及高壓層壓成型等方式,采用支撐管(柱)結(jié)構(gòu)的低溫容器可參見圖6[8]。另外,PODS 支撐結(jié)構(gòu)能對(duì)不同工況下所需要的強(qiáng)度及漏熱量進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整,不但漏熱低、重量較同等作用的支撐結(jié)構(gòu)輕,是一種先進(jìn)的支撐管(柱)結(jié)構(gòu)。

圖6 低溫系統(tǒng)中支撐管結(jié)構(gòu)形式示意圖Fig.6 Sketch of strut in cryogenic system

4 超臨界氦貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中國(guó)重型運(yùn)載火箭擬應(yīng)用超臨界氦貯罐進(jìn)行增壓,根據(jù)增壓量需求其貯罐有效容積為1 000 L,工作壓力2 MPa,待發(fā)時(shí)間(指加注液氦后漏熱作用下容器內(nèi)壓力升至保險(xiǎn)閥打開的時(shí)間)為24 h,結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求小于200 kg。該貯罐擬采用雙層真空多層絕熱形式保證高絕熱性能,并且需要設(shè)計(jì)合適的內(nèi)支撐形式,一方面確保在火箭飛行振動(dòng)環(huán)境下可靠工作,不出現(xiàn)強(qiáng)度破壞、疲勞破壞等問題;還需要對(duì)支撐結(jié)構(gòu)漏熱進(jìn)行嚴(yán)格控制,確保漏熱量滿足待發(fā)時(shí)間要求;同樣,還需要考慮貯罐外形尺寸的約束以及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的加工及裝配的工藝性。鑒于超臨界氦貯罐工作時(shí)間為發(fā)射前的加注階段至火箭飛行后級(jí)間分離階段,貯罐工作時(shí)間相比深空探測(cè)等長(zhǎng)期在軌應(yīng)用的時(shí)間短;另外,在火箭飛行過程中,承載一定質(zhì)量液氦的內(nèi)殼會(huì)隨振動(dòng)發(fā)生晃動(dòng)的情況,因此超臨界氦貯罐內(nèi)支撐采用能夠承受壓縮和拉伸載荷的柱式支撐結(jié)構(gòu),支撐柱采用鈦合金材料,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝性好,成熟度高。采用8 根支撐柱分上、下兩組對(duì)貯罐內(nèi)外殼提供支撐作用,具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。貯罐內(nèi)、外殼體均采用鈦合金材料,內(nèi)殼體直徑為1 300 mm,厚度為1.2 mm;外殼直徑為1 500 mm,殼體厚度為1 mm。支撐結(jié)構(gòu)單根支撐柱長(zhǎng)度470 mm,直徑為17 mm。在支撐柱與支座之間設(shè)置玻璃鋼墊塊,增加支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的接觸熱阻,同時(shí)來補(bǔ)償液氦加注后的材料變形。

圖7 超臨界貯罐支撐結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Supporting structure of supercritical helium tank

4.1 強(qiáng)度及抗振性能分析

采用有限元方法對(duì)內(nèi)殼體及支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度和振動(dòng)強(qiáng)度分析,貯罐內(nèi)殼承受2 MPa 內(nèi)壓及4 K的溫度場(chǎng),并將貯存的液氦質(zhì)量等效到內(nèi)殼體上,超臨界氦貯罐支撐結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析結(jié)果如圖8 所示。最大應(yīng)力分布在內(nèi)殼體連接支撐結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)根部,應(yīng)力數(shù)值為546.6 MPa。在總均方根加速度為26.36 g隨機(jī)振動(dòng)工況下,最大均方根應(yīng)力出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)凸臺(tái)根部,應(yīng)力值為987.5 MPa,如圖9 所示。鈦合金的屈服強(qiáng)度為1 700 MPa(溫度4.2 K),貯罐的支撐結(jié)構(gòu)及內(nèi)殼體在承載最大的部位均未達(dá)到所用材料的許用應(yīng)力(屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù),安全系數(shù)一般取1.5),滿足超臨界貯罐的強(qiáng)度要求。

圖8 靜載下的應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress cloud chart of static loading

圖9 隨機(jī)振動(dòng)下應(yīng)力云圖Fig.9 RMS stress cloud chart of random vibration

4.2 絕熱性能分析

超臨界氦貯罐的總漏熱包括輻射漏熱、真空層內(nèi)殘留氣體漏熱、管道及支撐等內(nèi)外殼連接結(jié)構(gòu)帶來的傳導(dǎo)漏熱。貯罐容積及結(jié)構(gòu)形式確定后,前兩項(xiàng)的漏熱量基本一致,選用不同形式的支撐結(jié)構(gòu),漏熱量將差別很大。

超臨界氦貯罐要求待發(fā)時(shí)間24 h,其內(nèi)部壓力不能超過2 MPa,溫度不能超過8.6 K,可確定液氦貯罐的最大允許漏熱。貯罐的允許漏熱量由罐內(nèi)氦的最終和最初狀態(tài)的內(nèi)能差決定。假設(shè)貯罐初始承裝4.2 K/0.1 MPa 的液氦,最終狀態(tài)為8.6 K/2 MPa。計(jì)算容積1 000 L 貯罐允許漏熱量應(yīng)小于1 776.2 kJ,這要求超臨界氦貯罐漏熱不能超過20.6 W。

該超臨界氦貯罐支撐結(jié)構(gòu)的熱阻由鈦合金支撐柱及支座間的玻璃鋼墊塊組成,由于安裝后玻璃鋼墊塊的接觸復(fù)雜,本文忽略了玻璃鋼墊塊熱阻影響,計(jì)算最惡劣的漏熱情況,支撐結(jié)構(gòu)漏熱量可以通過導(dǎo)熱公式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式中:λ(t)為支撐材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K),鈦合金在4.2 K 下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/(m·K),293 K 下的導(dǎo)熱系數(shù)為8 W/(m·K),假設(shè)鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化呈線性分布;L為支撐結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度,m;A為支撐結(jié)構(gòu)截面積,m2;tw1、tw2為外殼、內(nèi)殼溫度,K。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到單根漏熱量為:Φs=0.57 W。

8 根支撐結(jié)構(gòu)的總漏熱量為:Φsz=0.57 × 8=4.56 W。相比允許的總漏熱量20.6 W,支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量占比22%,表明其絕熱性能良好。

5 結(jié)論

針對(duì)運(yùn)載火箭超臨界氦貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度、抗振性和低漏熱性能的要求,對(duì)國(guó)內(nèi)外空間用低溫容器支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹,總結(jié)了空間用貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,并對(duì)重型運(yùn)載火箭超臨界貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),分析了貯罐內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、抗振性能及絕熱性能,表明該支撐方案可滿足設(shè)計(jì)要求,后續(xù)還需要通過試驗(yàn)對(duì)支撐方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化,為產(chǎn)品的工程應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。