某運載火箭防風減載裝置設計與實現

劉立東，范瑞祥，程堂明，張 然，郭金剛

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

火箭豎立在發射臺上進行轉運和檢查時，常常數小時暴露于地面風中。此時，作為隨機變量的地面風成為作用于火箭結構上的主要干擾[1,2]，地面風是指高度在150 m以內的大氣風，其特點是空間和時間上速度和方向都迅速變化，這種風載荷通常是火箭尾部結構和發射臺的重要輸入參數。當火箭豎立在發射平臺上時，會引起箭體結構的變形和振動，造成底部彎曲應力[3]，甚至引起結構破壞或發射失敗。國外不少型號，如美國的先鋒、土星等火箭地面風載荷都較為嚴重，其中雷神全尺寸試驗期間，當地面風速達到27 m/s時，發射臺上的箭體遭到傾倒破壞[4]。因此，部分運載火箭在發射臺上設置專用的防風減載裝置，避免地面風載荷引起的結構適應性問題。

由于中國之前發射場均處于內陸，火箭的地面風速設計條件一般為平均風速10～13 m/s。而海南文昌發射場為沿海發射場，其地面風場特性與內陸其他發射場相比差異較大，本文通過海南文昌發射場地面風研究分析，結合某火箭型號特點，提出適合中國“新三垂”轉場模式火箭的防風減載裝置設計方案，并給出減載實施效果。

1 國外火箭防風減載情況

1.1 土星V火箭

土星V火箭設計中在發射塔和火箭之間設計了一種防風減載結構，將地面風帶來的彎矩效果減至最小，土星V火箭的防風減載器設置在逃逸塔和發射塔之間，整體承載結構類似一種框架結構，如圖1所示。

圖1 土星V火箭防風減載裝置示意Fig.1 Saturn V Wind Damper

1.2 宇宙神 V火箭

宇宙神 V火箭在臍帶塔和火箭之間設置了防風減載結構，如圖2所示。

圖2 宇宙神V火箭防風減載裝置示意Fig.2 Atlas V Wind Damper

1.3 戰神I火箭

戰神I火箭盡管目前已經終止了研制，在其研制方案中，同樣也有解決地面風帶來載荷影響的相應結構，具體如圖3所示。

圖3 戰神I火箭防風減載裝置示意Fig.3 Arex I Wind Damper

國外在20世紀60年代就開展了地面風對火箭影響的研究，而且這種研究一直持續至今，地面防風減載裝置也一直在不斷完善改進，在設置防風減載裝置時，充分考慮了對技術的繼承性和對現有產品的適應性。

2 海南文昌發射場地面風載荷

火箭豎立在發射臺上，作用在火箭上的風載荷及結構截面彎矩示意如圖4所示。

圖4 地面風及箭體截面載荷示意Fig.4 Load Condition Caused By Ground Wind

工程設計過程中，地面風風剖面一般采用Davenport指數規律，由于其形式簡單而得到廣泛應用，如加拿大規范NBC1990[5]。

式中為基準高度平均風速；zb為基準高度；v(z)為相對基準高度z米的地面風平均風速；k為經驗指數，規范推薦值一般情況如表1所示[6]。

表1 k系數取值情況Tab.1 Value ofk

海南發射場實測發現，地面風速隨高度增加迅速變大。地面風統計結果如圖5所示，擬合后k≈0.35，該特征與內陸發射場明顯不同。因此，淺層風剖面規律不僅與地貌相關，而且與當地地理、氣象環境密切相關。

圖5 地面風統計情況Fig.5 Ground Winds in Different Areas

3 海南文昌發射場地面風載荷

統計分析發現，海南發射場50 m高度的平均風速須由10 m/s增大至15 m/s以上，由此引起火箭根部彎矩載荷增加。此時火箭研制處于初樣后期，風速增加將可能導致火箭尾部結構和發射臺的研制出現重大反復。因此，需要研制和設計一種防風減載裝置，最大限度降低火箭根部載荷。參照國際上火箭防風減載裝置應用情況，盡量不改變現有的火箭結構和地面發射支持系統結構，并且要求防風減載裝置具備較強的可操作性，同時具備一定的橫向剛度，以滿足減載指標要求。

按照方案設計原則，主要利用箭上二級發動機的機架4個現有的M20螺紋孔接頭結構，采用合理的拉耳與臍帶塔連接，在臍帶塔和火箭之間設置防風減載機構。

3.1 防風減載裝置拓撲優化分析

由于防風減載裝置安裝在距離發射平臺約30 m的高空，并且跨距長達10 m，在保證剛度要求的前提下，需要結構質量最小，因此開展了以側向結構剛度最大為目標的變密度拓撲優化設計，其數學模型表述如下：

式中iu為第i個單元的相對密度；p為工況總數；ρ0為單元原始密度；0iV為第i個單元的體積；0m為所有單元原始密度時的結構總質量。

拓撲優化模型及優化結構如圖6所示。

3.2 防風減載裝置剛度設計分析

防風減載裝置剛度指標與火箭根部載荷相關，將防風減載裝置等效為梁模型，建立臍帶塔、防風減載裝置及火箭豎立狀態有限元模型，如圖7所示。為保證火箭載荷在要求值范圍內，計算防風減載裝置的橫向剛度指標2k需要不小于1×105。

圖7 有限元模型示意Fig.7 The Finit Element Model

在拓撲優化及結構優化設計的基礎上，詳細設計防風減載結構。防風減載結構主要由轉軸、橫梁、連接接頭、連接環、轉動銷接頭、調節接頭等構成。其中轉軸、接頭結構選用鋼材，橫梁及其他結構選用鋁合金。在此基礎上建立了防風減載裝置有限元模型，從計算結果來看，可以將整體橫向剛度提升到4×105左右，滿足設計指標要求。

圖8 計算結果Fig.8 The Resault of Finit Element Model

3.3 防風減載實施效果評價

某火箭在合練試驗中分別進行了不加防風減載裝置狀態和加防風減載裝置狀態的風載荷標定試驗，獲取了箭體典型截面上應變值與彎矩的關系，在特定加載工況下，火箭尾部彎矩試驗值與計算值對比情況如表2所示。

表2 尾端根部彎矩及頭部位移對比Tab.2 The Root Bending Moment&the Head Deformation

4 結論

發射場地面風載荷對火箭結構設計有著重要的影響，某火箭在設計初期采用的內陸發射場地面風指標并不適應沿海發射場，研制過程當中，詳細總結了海南文昌發射場風場數據和使用條件，結合型號結構特點，設計并使用了防風減載裝置，計算和試驗結果表明防風減載裝置減載效果明顯，達到了型號應用目的。