一种液体火箭上面级贮箱防晃装置的设计方法与流程

1.本发明涉及液体运载火箭贮箱防晃领域，特别涉及一种液体火箭上面级贮箱防晃装置的设计方法。


背景技术：

2.在大型液体运载火箭中，液体推进剂占据了全箭的大部分质量，火箭在飞行过程中因箭体振动、发动机推力变化、姿态调整等外部激励会引起的贮箱液体发生晃动。如果不对液体晃动采取一定的抑制措施，液体的晃动会影响火箭姿态，严重时甚至会造成发生任务的失败。为保证火箭在飞行过程中的稳定性，必须对液体的晃动采取抑制措施。目前采用抑制推进剂晃动的措施主要为在贮箱壁上焊接一定数量的防晃板，从而达到提高晃动阻尼的效果。
3.目前常用的防晃板设置有，半圆形防晃板、圆环形防晃板、竖式隔板等，虽然安装防晃板可以有效提高晃动阻尼，但是存在防晃板需要足够的数量才能达到稳定控制要求从而大大增加火箭的结构质量，在一定程度上降低了火箭的运载能力，尤其是在液体火箭上面级中，防晃板的结构质量对运载能力的影响尤为明显，然而火箭在一级飞行过程中，上面级贮箱也会由于外部激励的影响而产生晃动，虽然晃动质量不大，但是由于上面级晃动质心距离箭体质心较远，产生的晃动力矩较大，其对箭体姿态的影响甚至会超过其它贮箱晃动的影响，因此在火箭一级飞行过程中，需要上面级贮箱的晃动阻尼足够大，亟待发明一种新的设计方案。


技术实现要素：

4.本发明为了克服现有技术的缺点，提高上面级贮箱晃动阻尼并减少不必要的质量，提供一种液体火箭上面级贮箱防晃装置的设计方法，通过弹簧装置与上面级贮箱壁面连接，由于弹簧的拉伸压缩作用，圆环防晃板具有一定的移动空间，在较宽的液位范围内提供大的晃动阻尼。
5.本发明的一种液体火箭上面级贮箱防晃装置的设计方法，基于弹簧固定防晃板的防晃结构，
6.包括如下步骤：
7.确定目标晃动阻尼值；
8.初步估算阻尼大小；
9.通过对防晃板宽度进行设计调整，得到相应的阻尼大小；
10.通过流体仿真计算软件以vof多相流进行晃动仿真分析，获取确切的晃动阻尼；
11.通过仿真输出的晃动力数据选取最大晃动力，选取弹簧。
12.进一步地，晃动阻尼的大小可通过如下公式初步估算：
[0013][0014]
其中，ζ为阻尼，w为环形防晃板的宽度，δ为晃动幅度，r为液面半径。
[0015]
进一步地，通过流体仿真计算软件以vof多相流进行晃动仿真分析，获取确切的晃动阻尼的仿真中，上面级贮箱壁面假设为刚性壁面条件，仅考虑空气、液体两种流体，给液体域施加一个初始横向速度进行瞬态分析，获取晃动时作用于贮箱壁面的晃动力，通过如下公式计算：
[0016]
f＝f0e-wζt
cos(wt θ)
[0017]
其中f为晃动力，ζ为阻尼，t为晃动时间，w为晃动频率，θ为相位角。
[0018]
进一步地，初始横向速度大小通过如下公式确定：
[0019][0020][0021]
其中：n
x
为过载系数，g为当地重力加速度，h为当前液位距离贮箱底的高度。
[0022]
进一步地，单根所述弹簧装置的选取原则是：
[0023]
弹簧的自由长度选取为0.3r，r为贮箱的圆柱段半径，弹簧可调节范围不小于0.15r，
[0024]
弹簧的弹性系数需满足
[0025]
0.3rk 0.265f
max
≥mn
xg[0026]
其中f
max
为最大晃动力，通过仿真输出的晃动力数据中进行选取，m为防晃板的质量，k为弹簧的弹性系数，x为弹簧的最大拉伸位移。
[0027]
一种液体火箭上面级贮箱防晃结构，包括防晃板和弹簧装置，所述弹簧装置的一端与上面级贮箱内壁连接，另一端与所述防晃板连接。
[0028]
进一步地，所述防晃板为圆环形，与上面级贮箱轴线垂直且同圆心。
[0029]
进一步地，所述弹簧装置包括至少三根弹簧。
[0030]
进一步地，所述弹簧装置的一端与上面级贮箱内壁焊接连接。
[0031]
本发明的一种液体火箭上面级贮箱防晃结构的设计方法具有以下优点：
[0032]
1、该防晃装置不仅能达到传统直接焊接圆环形防晃板相同的阻尼，而且由于弹簧的作用，该装置仅需一块防晃板便能在较宽的液位范围内提供较高且稳定的晃动阻尼，结构简单可靠，易于装配。
[0033]
2、一块防晃板替代传统多块防晃板，大大减少了防晃装置的质量，增加了箭体承载能力；
[0034]
3、仅需在弹簧与上面级贮箱壁面连接处进行焊接，而其它类型的防晃装置，需要在上面级贮箱壁面多处进行焊接，该防晃装置大大减小了焊缝，降低了上面级贮箱的风险隐患,提高了上面级贮箱的安全性；
[0035]
4、当火箭一级分离，上面级火箭发动机开始点火后，上面级贮箱的液位随之消耗下降，此时，防晃板由于重力和过载的作用，会随液位的下降而下降，此时依然可提供晃动阻尼；
[0036]
5、设计更迅速，适应快速迭代需求，可移动的防晃板可根据需要进行调整，适应不同任务需求。
附图说明
[0037]
图1(a-f)为传统防晃板的结构示意图；
[0038]
图2为本发明一种液体火箭上面级贮箱防晃结构的结构示意图；
[0039]
图3为本发明一种液体火箭上面级贮箱防晃结构的正面剖视图；
[0040]
图4为图3的a向视图；
[0041]
图5为本发明实施例中防晃结构晃动仿真计算输出晃动力曲线图。
[0042]
其中，1-上面级贮箱，2-防晃板，3-弹簧装置，31-弹簧。
具体实施方式
[0043]
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0044]
本发明的一种液体火箭上面级贮箱防晃装置的设计方法，基于弹簧固定防晃板的防晃结构，
[0045]
包括如下步骤：
[0046]
确定目标晃动阻尼值，本实施例的目标值不小于8％；
[0047]
初步估算阻尼大小；
[0048]
晃动阻尼的大小可通过如下公式初步估算：
[0049][0050]
其中，ζ为阻尼，w为环形防晃板的宽度，δ为晃动幅度，取0.0875r，r为液面半径；
[0051]
通过对防晃板宽度进行设计调整，得到相应的阻尼大小；
[0052]
然后通过流体仿真计算软件以vof多相流进行晃动仿真分析，仿真中，贮箱壁面假设为刚性壁面条件，仅考虑空气、液体两种流体，给液体域施加一个初始横向速度进行瞬态分析，获取晃动时作用于贮箱壁面的晃动力，通过如下公式计算：
[0053]
f＝f0e-wζt
cos(wt θ)
[0054]
对获取的晃动力进行拟合处理，便可获取确切的晃动阻尼，其中f为晃动力，ζ为阻尼，t为晃动时间，w为晃动频率，θ为相位角。
[0055]
通过对防晃板的宽度进行设计调整，可获得相应的阻尼大小，
[0056]
仿真计算过程中施加的初始横向速度大小通过如下公式确定：
[0057][0058][0059]
其中：n
x
为过载系数，g为当地重力加速度，取值9.81m2/s，h为当前液位距离贮箱底的高度。本实施例中，初始横向速度取0.1m/s。
[0060]
通过仿真输出的晃动力数据选取最大晃动力，选取弹簧。
[0061]
单根所述弹簧装置的选取原则是：
[0062]
弹簧的自由长度选取为0.3r，r为贮箱的圆柱段半径，弹簧可调节范围不小于0.15r，
[0063]
弹簧的弹性系数需满足
[0064]
0.3rk 0.265f
max
≥mn
xg[0065]
其中f
max
为最大晃动力，通过仿真输出的晃动力数据中进行选取，m为防晃板的质量，k为弹簧的弹性系数，x为弹簧的最大拉伸位移。
[0066]
如图2-3所示，本发明的实施例还提供了一种液体火箭上面级贮箱防晃结构，包括防晃板和弹簧装置，弹簧装置的一端与上面级贮箱内壁连接，另一端与防晃板连接。
[0067]
本实施例中，防晃板为圆环形，与上面级贮箱轴线垂直且同圆心。
[0068]
如图4所示，作为本发明的一种优选方案，弹簧装置包括四根弹簧，四根弹簧周向均布设置。
[0069]
作为本发明的一种优选方案，弹簧装置的一端与上面级贮箱内壁焊接连接。
[0070]
本发明的防晃结构的防晃原理：在液体晃动时，由于弹簧的作用，作用于防晃板上的力会与弹簧拉力相反，此时，防晃板类似于固定在壁面的圆环板一样，对晃动进行抑制，通过cfd仿真计算软件，对该状态下的晃动进行仿真计算，获取的晃动力如图5所示，对仿真计算结果进行处理可得该防晃装置的晃动阻尼可达8％，说明该防晃装置可以提供较大的阻尼。
[0071]
当火箭一级分离，上面级火箭发动机开始点火后，上面级贮箱的液位随之消耗下降，此时，防晃板由于重力和过载的作用，会随液位的下降而下降，此时依然可提供晃动阻尼。