推進劑貯箱用柱形金屬隔膜設(shè)計優(yōu)化與試驗研究

范 凱, 晏 飛, 李敬業(yè)

(1.上海空間推進研究所, 上海 201112; 2.上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心, 上海 201112)

1 引言

用于貯存和管理液體推進劑的貯箱是飛行器動力系統(tǒng)中重要的壓力容器組件,對系統(tǒng)的可靠性和安全性有重要影響[1]。近些年,隨著科學技術(shù)的進步和航空航天的發(fā)展,推進劑貯箱技術(shù)也迎來了全新的發(fā)展時期。

飛行器結(jié)構(gòu)復雜,空間有限,布局緊湊,對結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求嚴苛。為了充分利用有限空間、合理布局結(jié)構(gòu)、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量,貯箱的選型和設(shè)計必須充分考慮飛行器的幾何特征、結(jié)構(gòu)布局和安裝空間等要素。對于導彈武器、運載火箭等具有狹長安裝空間的飛行器而言,幾何外形呈圓柱形的貯箱是其最佳選擇。圓柱形貯箱既有利于飛行器結(jié)構(gòu)布局、提高空間利用率,又能夠降低飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

現(xiàn)有技術(shù)中,飛行器所用圓柱形貯箱的推進劑貯存-管理裝置主要包括貯囊、活塞、金屬膜盒和表面張力板網(wǎng)組件。貯囊主要由橡膠、塑料等非金屬材料制成,其工作性能穩(wěn)定、工藝成熟、便于維護、可重復使用、排放效率高、成本低,但其致密性和耐蝕性不夠好,壽命較短,僅適用于一些特定推進劑的短期、常溫貯存,多用于運載火箭的姿軌控動力系統(tǒng)[2]、飛機和巡航導彈的燃油貯供系統(tǒng)等?；钊苫钊h(huán)和密封件組成[3],其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、可重復使用、造價低,但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、活塞密封困難,現(xiàn)在甚少使用。金屬膜盒由若干件膜片焊接而成,與液體介質(zhì)相容性好、使用壽命較長、可重復使用,但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、制造工藝復雜、力學環(huán)境適應性差、造價高、結(jié)構(gòu)效率較低,多用于空間實驗室、空間站等大型航天器的姿軌控動力系統(tǒng)[4-5]。表面張力板網(wǎng)組件主要分為篩網(wǎng)和導流板2 類,其結(jié)構(gòu)質(zhì)量小、與液體介質(zhì)相容性好、使用壽命長、可重復使用、排放效率高,但其抗液體晃動和過載能力較差、制造工藝復雜、造價高、微重力水平要求高,多用于衛(wèi)星、空間站和深空探測器等航天器的姿軌控動力系統(tǒng)[6-7]。綜上,現(xiàn)有圓柱形貯箱推進劑的貯存管理方式存在諸多不足,或是材料不能與液體介質(zhì)長期相容、致密性差、使用壽命短,或是結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、制造工藝復雜、造價高,或是力學環(huán)境適應性差、抗液體晃動和過載能力低。

作為另一種重要的推進劑貯存管理裝置,金屬隔膜可以有效克服上述各類裝置的不足,具有輕質(zhì)、長壽命、高可靠性、工藝簡單、相容性好、推進劑利用效率高、質(zhì)心穩(wěn)定性好、推進劑剩余量可測等優(yōu)點?，F(xiàn)有的金屬隔膜工作時需要在其內(nèi)外表面壓差作用下從幾乎與貯箱上半部分內(nèi)型面貼合的上凸形初始狀態(tài)逐漸翻轉(zhuǎn)為與貯箱下半部分內(nèi)型面貼合的下凹形最終狀態(tài)。這一過程要求隔膜翻轉(zhuǎn)規(guī)則,不發(fā)生失穩(wěn)、褶皺等失效情況。目前主要為半球形[8]、球錐形[9]和橢球形[10]金屬隔膜可滿足上述要求。此外近期有研究人員針對環(huán)形結(jié)構(gòu)金屬隔膜開展研究[11]。

本文提出一種新型柱形隔膜,首先介紹其結(jié)構(gòu)組成和工作原理;然后針對某一具體貯箱開展隔膜型面設(shè)計,并通過數(shù)值模擬進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;最后采用隔膜試驗件進行隔膜排放驗證試驗。

2 隔膜結(jié)構(gòu)及工作原理

柱形金屬隔膜作為推進劑貯存-管理裝置,安裝于柱形貯箱內(nèi)部,其外表面與貯箱內(nèi)表面構(gòu)成貯液容腔用于貯存液體推進劑。柱形金屬隔膜包括隔膜筒體、通孔接頭和盲孔接頭。其中隔膜筒體由筒身段、上封頭段和下封頭段組成,其內(nèi)表面構(gòu)成貯氣容腔,用于充裝增壓氣體;通孔接頭位于隔膜筒體上極孔處,并與貯氣容腔相連,用于隔膜裝配和充放氣;盲孔接頭位于隔膜筒體下極孔處,用于隔膜裝配。典型的柱形金屬隔膜結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 柱形金屬隔膜結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the cylindrical metal diaphragm

工作時,柱形金屬隔膜在貯氣容腔內(nèi)壓的驅(qū)使下逐漸膨脹變形,將貯液容腔內(nèi)的推進劑擠出,具體工作過程如圖2 所示。圖中狀態(tài)I 為初始狀態(tài),狀態(tài)II 為中間狀態(tài),狀態(tài)III 為最終狀態(tài)。

圖2 柱形金屬隔膜工作原理Fig.2 Working principle of the cylindrical metal diaphragm

3 柱形隔膜型面設(shè)計

3.1 型面設(shè)計要求

根據(jù)柱形金屬隔膜的工作特點,其型面設(shè)計要求為:

1)隔膜膨脹變形應平順、規(guī)律;

2)隔膜容積占貯箱容積的比例盡可能低;

3)隔膜的推進劑排放效率盡可能高;

4)成型工藝性好,易于制造。

3.2 型面設(shè)計過程

柱形金屬隔膜的型面設(shè)計主要針對參與膨脹變形的隔膜筒體展開。隔膜筒體由周向均布的3個隔膜瓣構(gòu)成,三者的型面保持一致。因此,隔膜瓣型面決定了柱形隔膜筒體型面。

隔膜瓣呈現(xiàn)四周外凸、中心內(nèi)凹的空間幾何型面,其由2 條控制經(jīng)線和3 條控制緯線共同決定,如圖3(a)所示。

圖3 柱形金屬隔膜控制曲線及設(shè)計參數(shù)Fig.3 Control curves and design parameters for the cylindrical metal diaphragm

首先,為確保隔膜膨脹變形可靠,通過在各控制線上設(shè)置彎邊弧和內(nèi)凹弧,促使隔膜瓣優(yōu)先從剛性較大的四周區(qū)域開始膨脹變形,并逐步帶動中心區(qū)域膨脹變形。各控制線具體構(gòu)成及設(shè)計參數(shù)如下:

1)控制經(jīng)線1 由外凸經(jīng)線弧、封頭經(jīng)線弧構(gòu)成,如圖3(b)所示。其設(shè)計參數(shù)包括外凸經(jīng)線弧半徑R1、封頭經(jīng)線弧半徑R2、經(jīng)線高度H1、外凸經(jīng)線弧中點到隔膜中軸線距離L1和封頭經(jīng)線弧極點到隔膜中軸線距離L2;

2)控制經(jīng)線2 由內(nèi)凹經(jīng)線弧、封頭彎邊經(jīng)線弧和過渡經(jīng)線弧構(gòu)成,如圖3(c)所示。其設(shè)計參數(shù)包括內(nèi)凹經(jīng)線弧半徑R3、封頭彎邊經(jīng)線弧半徑R4、過渡經(jīng)線弧半徑R5、經(jīng)線高度H2、內(nèi)凹經(jīng)線弧到隔膜中軸線距離L3、封頭彎邊經(jīng)線弧極點到隔膜中軸線距離L4和封頭彎邊經(jīng)線弧圓心到隔膜中軸軸距離L5。此外,控制經(jīng)線2 和貯箱中軸線所圍成的面積A1為被動設(shè)計參數(shù),由上述其他設(shè)計參數(shù)決定;

3)控制緯線1 由內(nèi)凹緯線弧、彎邊緯線弧和過渡直線段構(gòu)成,如圖3(d)所示。其設(shè)計參數(shù)包括內(nèi)凹緯線弧半徑r1、彎邊緯線弧半徑r2、彎邊緯線弧圓心到隔膜中軸線距離l1、過渡直線夾角α。此外,內(nèi)凹緯線弧中點到隔膜中軸線距離l2和控制緯線1 與2 條對稱軸線所圍成的面積A2為被動設(shè)計參數(shù),由上述其他設(shè)計參數(shù)決定;

4)控制緯線2 由封頭彎邊緯線弧和過渡緯線弧構(gòu)成,如圖3(e)所示。其設(shè)計參數(shù)包括封頭彎邊緯線弧半徑r3、過渡緯線弧半徑r4和彎邊緯線弧到隔膜中軸線距離l3。此外,過渡緯線弧中點到隔膜中軸線距離l4和控制緯線2 與2 條對稱軸線所圍成的面積A3為被動設(shè)計參數(shù),由上述其他設(shè)計參數(shù)決定;

5)控制緯線3 由極端緯線弧構(gòu)成,如圖3(f)所示。其設(shè)計參數(shù)為極端緯線弧半徑r5。此外,控制緯線3 與2 條對稱軸線所圍成的面積A4為被動設(shè)計參數(shù),由上述其他設(shè)計參數(shù)決定。

上述5 條控制線的各設(shè)計參數(shù)之間存在一定關(guān)聯(lián),具體如式(1)～(7)所示。

其次,為了降低隔膜容積占比,要求由隔膜內(nèi)表面構(gòu)成的貯氣容腔盡可能小。通過優(yōu)化控制經(jīng)線2、控制緯線1、控制緯線2 和控制緯線3 的各設(shè)計參數(shù),使得控制曲線包絡(luò)面積A1、A2、A3和A4盡可能最小。

再次,為了提高隔膜的推進劑排放效率,要求各隔膜瓣完成膨脹變形后盡可能與貯箱殼體內(nèi)表面貼合。通過優(yōu)化各控制曲線的設(shè)計參數(shù),實現(xiàn)各控制曲線弧長與對應的最終貼合殼體內(nèi)表面位置弧長相等,同時隔膜瓣的初始面積與最終貼合殼體區(qū)域面積相等。

最后,通過優(yōu)化隔膜控制曲線的設(shè)計參數(shù)以滿足隔膜瓣制造工藝的要求。

綜上所述,柱形隔膜瓣型面設(shè)計步驟為:

1)通過柱形殼體內(nèi)型面確定控制經(jīng)線1 設(shè)計參數(shù)R1和R2;

2)通過隔膜瓣制造工藝決定控制經(jīng)線1 設(shè)計參數(shù)H1和控制緯線3 的設(shè)計參數(shù)r5;

3)通過優(yōu)化其他主動設(shè)計參數(shù)R4、l1、r1、α、r2、l3、r3、r4同時滿足控制曲線包絡(luò)面積、控制曲線弧長、隔膜瓣初始面積和制造工藝要求。

針對某特定尺寸的柱形貯箱殼體開展柱形隔膜設(shè)計,具體的隔膜瓣型面參數(shù)如表1 所示。

表1 柱形金屬隔膜膜片型面設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters for cylindrical metal diaphragm profile

4 柱形隔膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求

基于第3 節(jié)中得到的柱形隔膜型面,采用有限元模擬方法開展隔膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化,滿足如下要求:

1)在變形過程中無明顯應力集中,不發(fā)生失效破壞;

2)隔膜膨脹變形過程中壓力盡可能低。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程

考慮到試驗驗證的有效性和成本,選用通過增材制造工藝生產(chǎn)的316 L 不銹鋼柱形隔膜為優(yōu)化對象。近些年,增材制造應用于承壓容器的研究眾多[12]。在首件隔膜工藝試驗件上取得試片,通過拉伸試驗測得室溫下316 L 材料的力學性能如表2 所示,真應力-應變曲線如圖4 所示。

表2 室溫下316L 的力學性能Table 2 Mechanical property data of 316L at room temperature

圖4 室溫下316L 材料的真應力-應變曲線Fig.4 True stress-strain curve of 316L material at room temperature

基于ABAQUS 有限元軟件對參與膨脹變形的隔膜筒體進行有限元仿真。為了在保證仿真結(jié)果準確性的前提下提高計算效率,將隔膜筒體處理為旋轉(zhuǎn)周期對稱的隔膜瓣模型(1/3 個隔膜筒體模型),如圖5 所示。該類模型廣泛應用于具有旋轉(zhuǎn)周期對稱特性的機械結(jié)構(gòu)仿真分析研究中,且被證明結(jié)果具有一定的準確性[13]。在隔膜瓣兩端極孔處設(shè)置固定約束實現(xiàn)軸向固定,兩側(cè)豎直對稱面上設(shè)置周期對稱約束。此外,在隔膜內(nèi)表面施加均布載荷驅(qū)動隔膜膨脹變形。網(wǎng)格類型選擇S4R 殼單元。通過網(wǎng)格敏感性分析,網(wǎng)格尺寸小于3 mm×3 mm 后仿真結(jié)果基本保持一致。因此,采用2 mm×2 mm 的網(wǎng)格尺寸。隔膜瓣模型共包含6678 個單元和6478 個節(jié)點。柱形隔膜的膨脹變形為非線性大變形過程,采用傳統(tǒng)隔膜翻轉(zhuǎn)變形仿真分析中廣泛采用的Riks 弧長法[14]模擬不同壁厚分布的柱形金屬隔膜膨脹變形過程。

圖5 隔膜有限元模型Fig.5 Finite element model of diaphragm

綜合考慮增材制造工藝和材料缺陷容忍度,確定該柱形金屬隔膜最小壁厚為0.5 mm。本文模擬分析了3 種壁厚水平(t=0.5 mm、0.7 mm 和1 mm)的等壁厚隔膜膨脹變形過程,如圖6 所示。從圖中可以看出,壁厚為0.5 mm 和0.7 mm 的隔膜在膨脹變形過程中均在中心位置出現(xiàn)了褶皺,同時 應 力 水 平(σmax= 715.1MPa 和σmax=690.3 MPa)均大于316 L 材料的抗拉強度(σb=660 MPa),分別如圖6(a)和6(b)所示;壁厚為1 mm 的隔膜在膨脹變形過程中未出現(xiàn)皺褶,同時各區(qū)域應力水平(σmax=627.9 MPa)均低于316 L材料的抗拉強度(σb=660 MPa),如圖6(c)所示。上述結(jié)果表明,當?shù)缺诤裰胃裟さ谋诤駎較小時,在膨脹變形過程中中心位置容易產(chǎn)生顯著的徑向失穩(wěn),進而出現(xiàn)應力集中的褶皺,由此可能造成此位置的泄漏失效;隨著壁厚t的增加,褶皺程度減弱,同時此位置的最大應力σmax降低;當壁厚t增加至一定水平后,隔膜在膨脹過程中不會出現(xiàn)應力集中的褶皺,可順利完成變形而不發(fā)生失效。

圖6 不同壁厚隔膜膨脹變形云圖Fig.6 The expansion deformation contours for diaphragm with different thicknesses

壁厚的增加雖可實現(xiàn)柱形隔膜的可靠膨脹變形,但會引起變形壓力的大幅增加。采用從四周區(qū)域向中心區(qū)域逐漸增加壁厚的變壁厚方案可在提升隔膜中心位置的抗失穩(wěn)能力的同時降低隔膜膨脹變形壓力。圖7 為 0.5～0.7 mm 變壁厚隔膜在中心內(nèi)凹點不同徑向位移Lc時的膨脹變形云圖。同時,得到了隔膜膨脹變形壓力隨中心內(nèi)凹點徑向位移的變化曲線,如圖8 所示。

圖7 不同中心內(nèi)凹點徑向位置時的隔膜膨脹變形云圖Fig.7 The expansion deformation contours at different inner concave point radial positions for diaphragm with variable thickness

圖8 變壁厚隔膜膨脹變形壓力曲線Fig.8 Expansion deformation pressure curve of diaphragm with variable thickness

從圖中可以看到,當Lc=0 mm 時,隔膜保持未膨脹變形的初始形態(tài)(圖7(a)),此時隔膜膨脹變形壓力為0 MPa(圖8 中的A點);當Lc=10 mm 時,隔膜的膨脹變形主要集中在壁厚較薄的四周區(qū)域,而壁厚較厚的中心區(qū)域僅產(chǎn)生由四周區(qū)域變形所引起的徑向位移(圖7(b)),此時隔膜膨脹變形壓力也從0 MPa 升高至0.29 MPa(圖8 中的B點);當Lc=16 mm 時,隔膜的膨脹變形區(qū)域由四周區(qū)域向中心區(qū)域擴大,同時,隔膜中心處發(fā)生了微弱的徑向失穩(wěn)(圖7(c)),此時隔膜膨脹變形壓力達到最大值0.32 MPa 并開始降低(圖8 中的C點);當Lc=25 mm 時,隔膜中心失穩(wěn)區(qū)域快速發(fā)生膨脹變形,并向四周區(qū)域擴展(圖7(d)),此時隔膜膨脹變形壓力降低至0.2 MPa(圖8 中的D點);當Lc=30 mm 時,隔膜完成整個膨脹變形(圖7(e)),此時隔膜膨脹變形壓力也快速升至0.4 MPa(圖8 中的E點)。

同時,從圖7 中可以看出,變壁厚隔膜在整個翻轉(zhuǎn)過程中未出現(xiàn)褶皺,同時各區(qū)域應力均小于316 L 材料的抗拉強度。這表明,變壁厚隔膜可以順利完成膨脹變形而不發(fā)生失效。

5 試驗驗證

基于第3 節(jié)和第4 節(jié)設(shè)計優(yōu)化后的柱形隔膜結(jié)構(gòu)(四周區(qū)域向中心區(qū)域由0.5 mm 壁厚增加至0.7 mm 壁厚),生產(chǎn)了柱形隔膜試驗件,如圖9 所示。具體過程為:首先采用增材制造工藝生產(chǎn)隔膜筒體、通孔接頭和盲孔接頭零件,再采用激光焊接方式連接上述3 個零件,最后在兩端接頭上機加用于試驗裝配的螺紋。試驗件總高度為356 mm,赤道處半徑為60 mm,貯氣容腔容積為0.615 L。

圖9 柱形金屬隔膜試驗件Fig.9 Cylindrical metal diaphragm specimen

根據(jù)圖10(a)搭建隔膜排放試驗系統(tǒng)。這里需要注意的是,為了方便觀察柱形金屬隔膜的膨脹變形過程,本試驗采用由隔膜試驗件和裝配工裝組成的隔膜排放模擬組件替代貯箱狀態(tài)。在隔膜排放模擬組件中,隔膜試驗件通過螺紋與2 個壓板連接,同時通過若干螺桿和螺母將壓板固定,實現(xiàn)隔膜膨脹變形過程中的軸向約束,如圖10(b)所示?？紤]到試驗安全性,試驗采用水壓進行。具體采用試驗介質(zhì)(潔凈水)將隔膜貯氣容腔和與轉(zhuǎn)注罐連接的增壓管路填充滿,通過配氣臺增壓將轉(zhuǎn)注罐內(nèi)的試驗介質(zhì)擠入至隔膜試驗件貯氣容腔內(nèi)促使其發(fā)生膨脹變形。同時,通過壓力數(shù)顯表和重量數(shù)顯表可以實時記錄壓力和加注量變化,等效為貯箱狀態(tài)的排放壓力和排放量變化。

圖10 隔膜排放試驗Fig.10 Diaphragm expulsion experiment

試驗開始后,隨著壓力增加,隔膜試驗件的3個隔膜瓣依次從四周外凸區(qū)開始膨脹變形,并逐漸擴散至中心內(nèi)凹區(qū)域,當壓力升至0.4 MPa后,試驗結(jié)束并卸壓。變形后的柱形隔膜試驗件如圖11 所示。從圖中可以看到,隔膜最終型面光滑,絕大部分區(qū)域順利完成膨脹變形,近在上封頭段存在未完全膨脹的凹陷。此外,試驗過程中記錄了隔膜加注口處的壓力和加注量,兩者之間的關(guān)系如圖12 所示。從圖中可以看出,隔膜試驗件在壓力約為0.01 MPa 時開始膨脹變形,壓力逐漸增加至0.3 MPa 后連續(xù)經(jīng)歷0.2 ～0.3 MPa 范圍內(nèi)的波動,最終升至0.4 MPa。此外,隔膜試驗件總加注量為1.638 L,貯箱理論液腔容積為1.788 L,計算得到排放效率約為91.6%。

圖11 柱形金屬隔膜變形后形貌Fig.11 Deformed morphology of cylindrical metal diaphragm

圖12 膨脹變形壓力-加注量曲線Fig.12 Expansion deformation pressure-filling quantity curve

對比試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果可得,隔膜變形過程和壓力曲線幅值基本一致,但隔膜最終形貌和壓力曲線分布存在一定偏差。為了解釋上述差異,試驗結(jié)束后對隔膜進行了橫向解剖,并測量了各區(qū)域的壁厚分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于上封頭部位在增材制造過程中內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)去除后無法實施打磨,導致其壁厚超過設(shè)計值,進而導致該區(qū)域較隔膜筒體其他區(qū)域膨脹變形難度大,最終沒有完全膨脹并形成凹陷,如圖11 所示。此外,隔膜筒體在環(huán)向壁厚分布上存在散差,導致3 組隔膜瓣變形不同步,進而導致隔膜膨脹變形壓力曲線上連續(xù)出現(xiàn)3 個與模擬曲線(圖8)基本一致的波動,如圖12 所示。

隔膜排放試驗結(jié)果表明,柱形金屬隔膜方案可行。此外,后續(xù)可通過制造工藝改進和環(huán)向壁厚分布設(shè)計優(yōu)化,實現(xiàn)隔膜的規(guī)則膨脹變形,提高貯箱排放效率。

6 結(jié)論

1)為確保隔膜可靠膨脹變形,隔膜瓣應優(yōu)先從剛性較大的四周區(qū)域開始膨脹變形,并逐步帶動中心區(qū)域的變形;為了降低隔膜容積占比,由隔膜內(nèi)表面構(gòu)成的貯氣容腔應盡可能小;為了提高隔膜的推進劑排放效率,各隔膜瓣完成膨脹變形后應盡可能與貯箱殼體內(nèi)表面貼合。

2)當?shù)缺诤裰胃裟さ谋诤褫^小時,在膨脹變形過程中中心位置容易反生顯著的徑向失穩(wěn)而出現(xiàn)應力集中的褶皺,進而造成此位置的泄漏失效;隨著壁厚的增加,褶皺程度減弱,同時此位置的最大應力降低;當壁厚增加至一定水平后,隔膜在膨脹過程中不會出現(xiàn)應力集中的褶皺,可順利完成變形而不發(fā)生失效。

3)采用從四周區(qū)域向中心區(qū)域逐漸增加壁厚的變壁厚方案可在提升隔膜中心位置的抗失穩(wěn)能力的同時降低隔膜膨脹變形壓力。

4)柱形金屬隔膜方案可行。此外,后續(xù)可通過制造工藝改進和環(huán)向壁厚分布設(shè)計優(yōu)化,實現(xiàn)隔膜的規(guī)則膨脹變形,提高貯箱排放效率。