整流罩有效負載填充效應變化規律及形成機理研究

鄭玲　陳嬡嬡　鄧杰　向樹紅　方貴前　李曄

摘要：針對有效負載填充導致的運載火箭整流罩內部局部聲壓級增大現象即填充效應問題，采用三明治夾芯板理論，建立了整流罩及負載的等效模型，利用FE-BEM和SEA法分別對運載火箭整流罩的低、高頻段內聲場特性進行了數值分析，研究了負載體積比和負載形狀對填充效應的影響，從模態頻率的角度對填充效應的形成機理及變化規律進行了解析。仿真與試驗結果表明：填充效應與聲振耦合作用引起的聲學模態頻率偏移有關，低頻偏移幅度比高頻更大，低頻填充效應更加明顯；填充負載體積比直接影響模態偏移的幅度，填充效應隨負載體積比的增大而增大。基于FE-BEM及SEA的數值計算方法為有效負載填充效應的預測提供了分析手段。

關鍵詞：整流罩；運載火箭；聲壓級；有效負載；填充效應

引言

運載火箭在飛行過程中，由于火箭發動機高速射流噪聲和氣動噪聲的影響，使整流罩內部的聲場環境變得非常惡劣。在進行地面聲學測試時，人們通常會發現，當衛星負載填充整流罩時，整流罩內會出現局部聲壓級增大的現象，可高達10 dB。這種由于裝入有效負載而引起運載火箭整流罩或航天飛機貨艙的內部聲壓級變化的現象被稱為填充效應，聲壓級變化的差值即為填充效應的大小，它是填充因子（有效負載與整流罩或貨艙體積之比）與頻率的函數。在航天領域，聲環境試驗是按未填充的（即空的貨艙或沒有有效負載的整流罩）環境確定的，由于有效負載的安裝會引起整流罩內部聲壓級變化，因此考慮有效負載對整流罩內部聲環境產生的影響，即填充效應的影響，對準確預估有效載荷的聲學試驗環境，制定科學合理的地面聲學試驗條件和規范具有重要意義。

早在1980年，美國航空航天局就針對填充效應問題進行了一系列研究性試驗，試驗測試了4種形狀、大小和容積不同的有效負載對整流罩內聲壓級的影響，并且在試驗基礎上，提出了整流罩填充效應理論預測模型，制定了關于整流罩填充效應的行業標準NASA-STD-7001A，但這種模型在低頻時預測能力較差。Terry等利用SEA法，對有效負載的填充效應及結構響應進行了仿真計算，結果發現由于填充效應的存在，的確會使整流罩內間隙聲壓級增大，但能否用于預測負載的結構響應，仍是一個值得懷疑的問題。Nagahama等利用有限元/邊界元法對這種局部聲壓級變化的機理和評價標準進行了研究，結合聲學測試和振動模態試驗結果發現，導致這種現象的主要原因是氣體的聲學邊界條件而并非結構振動，同時發現填充效應會引起結構耦合面上振動響應的增大。Engberg，Gruszka等研究了不同直徑大小負載的填充效應，證明幾何形狀是影響填充效應的重要因素。

可見，盡管人們從不同的角度研究了填充效應，但現有的填充效應理論預測模型，在低頻段預測能力仍然不理想，亟待采用更為準確的理論預測模型或數值計算方法，來準確預測低頻段或全頻段的填充效應，為在填充效應NASA STD-7001A標準基礎上的進一步修訂提供理論依據。

本文采用FE-BEM（有限元-邊界元法）和SEA（統計能量法）相結合的方法，對某型運載火箭整流罩的有效負載填充效應進行了數值計算和分析，研究了負載體積比及幾何形狀對填充效應的影響，揭示填充效應的形成機理及變化規律，為有效負載填充效應的預測分析和地面聲學試驗標準的修訂提供理論依據。