低溫貯箱被動在軌非連接支撐結(jié)構(gòu)力熱特性仿真分析

鄭正路，高子涵，吳勝寶，吳 瓊，陳 龍

(1. 中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部，北京100076；2. 北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京100191)

1 引言

低溫推進劑具有比沖高、無毒、無污染的特性，對于大規(guī)模的空間任務(wù)采用低溫推進劑，尤其是液氫/液氧推進劑能夠顯著降低飛行器的系統(tǒng)規(guī)模。 月球探測、火星探測等深空探測任務(wù)需要低溫上面級在軌工作數(shù)小時到數(shù)天時間，其結(jié)構(gòu)的漏熱問題需要得到足夠的重視[1-2]。 其中低溫貯箱附屬機械構(gòu)件中支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量占總漏熱量的主要部分。 因此，支撐結(jié)構(gòu)的力、熱性能將對低溫貯箱的正常使用起到重要的影響[3]。

針對低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)的漏熱問題，NASA的研究人員率先提出了新型被動在軌非連接支撐結(jié)構(gòu)(Passive Orbital Disconnect Strut，PODS)[4-6]。其原理是當(dāng)載荷較大時，熱量通過銷和桿傳遞；而載荷變小時，銷不再接觸桿，熱量僅通過桿傳遞，通過改變傳熱路徑大大減少了貯箱的漏熱量。 這種結(jié)構(gòu)對于長期在軌低溫上面級貯箱連接支撐結(jié)構(gòu)(發(fā)射時承受較大載荷、在軌時基本不受載荷或載荷很小)非常適用。 近年來國內(nèi)學(xué)者針對PODS 結(jié)構(gòu)也開展了大量的研究，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[7]、熱傳導(dǎo)分析[7]、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析[8]、隨機振動分析[9]、材料優(yōu)化選擇[10-11]等。 以上研究尚未對PODS 在不同載荷條件下帶來的各部件受力情況、模態(tài)頻率、剛度變化及熱流傳遞路徑情況開展系統(tǒng)分析。

本文針對PODS 結(jié)構(gòu)不同狀態(tài)下的強度、剛度、模態(tài)頻率以及熱傳導(dǎo)路徑開展仿真分析，得到PODS 結(jié)構(gòu)在非接觸和接觸狀態(tài)下的力、熱特性。

2 PODS 結(jié)構(gòu)方案及材料選擇

2.1 結(jié)構(gòu)組成及基本原理

PODS 主要包括冷端體和熱端體2 部分。 其中冷端體部分主要由在軌管、冷端體、調(diào)節(jié)襯套、接觸桿、小卡圈、接觸螺母等組成。 冷端體右側(cè)錐面、接觸桿兩側(cè)錐面和接觸螺母左側(cè)的錐面是非接觸的主要組成部分(圖1)，在不同受力狀態(tài)下存在不同的接觸狀態(tài)，從而改變了傳力路徑，如圖2～圖4 所示。

圖1 PODS 結(jié)構(gòu)組成圖Fig.1 Structure composition of PODS

2.2 材料選擇

對PODS 結(jié)構(gòu)進行簡化處理[10]，各部件選擇材料如下：冷端關(guān)節(jié)軸承、螺母、接觸桿、接觸螺母、冷端體、大卡圈、小卡圈、調(diào)整襯套、長度調(diào)節(jié)桿、熱端體等為殷鋼；在軌管和發(fā)射管的材料為S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂。 各材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 材料主要性能參數(shù)Table 1 Main Performance parameters of materials

圖2 非接觸狀態(tài)傳力路徑(狀態(tài)1）Fig.2 The load-transferred path in disconnect status (status1）

圖3 受拉狀態(tài)傳力路徑(狀態(tài)2）Fig.3 The load-transferred path in tension status (status2）

圖4 受壓狀態(tài)傳力路徑(狀態(tài)3）Fig.4 The load-transferred path in compression status (status3）

3 力學(xué)特性仿真分析

3.1 強度及剛度仿真分析

對PODS 結(jié)構(gòu)一端固定，一端受軸向力，對該結(jié)構(gòu)在-2000 N ～2000 N(負號為受壓，正號為受拉)下的結(jié)構(gòu)變形情況進行分析，擬合后曲線如圖5 所示。 可以看出，無論是受壓還是受拉狀態(tài)，當(dāng)壓力/拉力小于700 N 時，PODS 結(jié)構(gòu)處于非接觸狀態(tài)，整體剛度較小；當(dāng)壓力/拉力大于700 N 時，PODS 結(jié)構(gòu)處接觸狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生明顯增大。

圖5 載荷-2000 N～+2000 N 變化時PODS 位移曲線Fig.5 PODS displacement curve when load is from - 2000 N～+ 2000 N

圖6 為施加小于700 N 的載荷時PODS 結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖。 當(dāng)載荷較小時，由于接觸桿與接觸螺母之間有間隙，在軌管彈性模量相對較小，故在軌管變形較大。 在軌管的作用類似于高剛度的彈簧，傳遞桿上的主要載荷。 圖6 可以看出，冷端體、接觸桿和螺母之間沒有傳遞力，力通過在軌管傳遞，并產(chǎn)生了彈性變形。

圖6 載荷小于700 N 時的PODS 結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖Fig.6 PODS strain nephogram when the load is less than 700 N

分別對PODS 結(jié)構(gòu)施加大于700 N 的受拉和受壓載荷。 當(dāng)載荷大于700 N 且為受拉狀態(tài)時PODS 結(jié)構(gòu)接觸桿右端面與接觸螺母接觸(圖7)；載荷為受壓狀態(tài)時，PODS 結(jié)構(gòu)接觸桿左端面與冷端體接觸(圖8)，力的傳遞路徑發(fā)生了變化，在接觸狀態(tài)下可以看到在軌管的應(yīng)力分布較為均勻。

圖7 拉力載荷大于700 N 時的PODS 應(yīng)變云圖Fig.7 PODS stress nephogram when tension load is greater than 700 N

圖8 壓力載荷大于700 N 時的PODS 應(yīng)變云圖Fig.8 PODS stress nephogram when compression load is greater than 700 N

具體分析PODS 結(jié)構(gòu)在發(fā)射狀態(tài)(即最大受拉/受壓載荷條件)以及在軌狀態(tài)時的受力情況，強度校核結(jié)果如表2 所示。 可以看出，在最大拉力/壓力工況下，最大應(yīng)力應(yīng)變均發(fā)生在發(fā)射管，此時最大拉應(yīng)力為822 MPa，最大壓應(yīng)力為715 MPa，均小于材料的強度極限。 而當(dāng)載荷較小，即在軌狀態(tài)，最大應(yīng)力應(yīng)變均發(fā)生在發(fā)在軌管。 以上結(jié)果進一步驗證了當(dāng)PODS 結(jié)構(gòu)在接觸狀態(tài)下主要由發(fā)射管傳遞載荷，在非接觸狀態(tài)下主要由在軌管傳遞載荷。

3.2 模態(tài)分析

在3.1 節(jié)所述的邊界條件下，針對接觸狀態(tài)和非接觸狀態(tài)進行PODS 結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真分析，。其前六階模態(tài)頻率如表3 所示。 可以看出，一階和二階模態(tài)頻率以及三階和四模態(tài)頻率基本一致。 在非接觸狀態(tài)下，由于PODS 整體結(jié)構(gòu)剛度較小，一階和二階模態(tài)頻率較低；在接觸狀態(tài)下，PODS 整體結(jié)構(gòu)剛度增大，尤其是前四階模態(tài)頻率有明顯提高。

表2 各工況下強度校核結(jié)果Table 2 Strength check results under different conditions

圖9 非接觸狀態(tài)時PODS 模態(tài)振型圖Fig.9 PODS modal shapes in disconnected status

圖10 接觸狀態(tài)時PODS 模態(tài)振型圖Fig.10 PODS modal shapes in contact status

表3 前六階模態(tài)頻率Table 3 The first six order modal frequency

從非接觸和接觸狀態(tài)的PODS 結(jié)構(gòu)模態(tài)振型圖(圖9、圖10)可以看出，非接觸與接觸狀態(tài)的PODS模態(tài)振型比較相似，一階振型均為左右擺動。 而三階振型除了左右擺動，中間部分發(fā)生了扭動。

4 熱仿真分析

依據(jù)2.1 節(jié)，PODS 總共分為3 種工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)下傳熱路徑也會發(fā)生改變。 在仿真中只考慮熱傳導(dǎo)形式的熱能變化，暫不考慮對流換熱和輻射形式傳熱。 根據(jù)外界環(huán)境變化，假設(shè)PODS 溫度場邊界條件如下：冷端溫度為2 K，熱端溫度為300 K，環(huán)境溫度為273.15 K。

圖11～圖13 為3 種不同工作狀態(tài)下的PODS的熱傳導(dǎo)路徑。 可以看出，熱流傳遞路徑與2.1節(jié)傳力路徑基本相同，即非接觸狀態(tài)主要通過在軌管傳熱，而接觸狀態(tài)主要通過發(fā)射管傳熱。 通過熱流密度轉(zhuǎn)換求出非接觸狀態(tài)、受拉狀態(tài)和受壓狀態(tài)的漏熱量分別為0.114 W、0.142 W 和0.143 W，非接觸狀態(tài)下的漏熱量較接觸狀態(tài)降低約20%。 這是由于在軌工況(狀態(tài)1)下支撐結(jié)構(gòu)傳熱路徑要比發(fā)射工況(狀態(tài)2 和狀態(tài)3)下長，其等效熱阻要大。

圖11 非接觸時熱傳導(dǎo)路徑(狀態(tài)1）Fig.11 Thermal conduction path in disconnect status(status 1）

圖12 受拉時熱傳導(dǎo)路徑(狀態(tài)2）Fig.12 Thermal conduction path in tension status(status 2）

圖13 受壓時熱傳導(dǎo)路徑(狀態(tài)3）Fig.13 Thermal conduction path in compression status(status3）

5 結(jié)論

1)PODS 結(jié)構(gòu)存在不同的工作狀態(tài)，分別為受拉接觸狀態(tài)、受壓接觸狀態(tài)和非接觸狀態(tài)，3 種不同的狀態(tài)分別對應(yīng)著不同的傳力路徑。

2)通過對PODS 進行靜力分析，在非接觸狀態(tài)下，在軌管傳遞載荷，且此時結(jié)構(gòu)剛度較低，模態(tài)頻率較低。 當(dāng)載荷增大至700 N 左右時，變?yōu)榻佑|狀態(tài)，主要由發(fā)射管傳遞載荷，此時結(jié)構(gòu)剛度增大，模態(tài)頻率提高。

3)通過熱傳導(dǎo)仿真分析可以看出，PODS 熱傳導(dǎo)路徑與PODS 傳力路徑基本相同，且當(dāng)PODS處于非接觸狀態(tài)時，由于傳熱路徑增長，等效熱阻大，其漏熱量相比接觸狀態(tài)時減少20%左右。

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