姜丹丹,任建軍,劉佳鑫
(1.上??臻g推進(jìn)研究所,上海 201112; 2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心,上海 201112;3.長(zhǎng)春長(zhǎng)光宇航復(fù)合材料有限公司,長(zhǎng)春 130000)
隨著航天領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步,輕質(zhì)化、小型化、集成化要求成為現(xiàn)代航天器重要的設(shè)計(jì)原則。液體姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)作為航天器的重要分系統(tǒng)之一,其輕質(zhì)化的設(shè)計(jì)可以提高航天器運(yùn)載能力、增大有效載荷、減少推進(jìn)劑耗量等。對(duì)于航天器而言,液體姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)一般安裝布置于總體提供的艙段內(nèi),空間緊湊,對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高。
某液體姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)主承力結(jié)構(gòu)若仍采用金屬材料,如鋁、鎂合金,通過機(jī)械加工一體成型,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的前提下,則減少質(zhì)量設(shè)計(jì)效果不明顯,不能滿足輕質(zhì)化設(shè)計(jì)要求。此外,受飛行環(huán)境中高溫環(huán)境的影響,型號(hào)對(duì)主承力結(jié)構(gòu)提出了耐高溫的性能要求。
針對(duì)上述問題,通過采用復(fù)合材料替代金屬材料,其比強(qiáng)度、比模量均優(yōu)于金屬材料,可減少質(zhì)量約30%,同時(shí)在使用溫度范圍內(nèi),復(fù)合材料模量保持率在95%以上,而鎂、鋁合金的高溫模量保持率不超過85%。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),由于復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性和各向異性的特點(diǎn),可通過組分材料的選擇和匹配以及界面控制等材料設(shè)計(jì)手段,最大限度地滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用性能,同時(shí)可以通過合理設(shè)計(jì)消除材料冗余,提升結(jié)構(gòu)效率、減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平,達(dá)到結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減重的效果。
目前樹脂基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)組件中,樹脂基復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維主要包括碳纖維和芳綸纖維等,樹脂基體主要包括環(huán)氧樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂等。其中復(fù)合材料根據(jù)使用不同樹脂,所能耐受的溫度也不同,環(huán)氧樹脂使用溫度一般不超過150 ℃,氰酸酯樹脂一般可耐受200 ℃,雙馬樹脂一般不超過250 ℃,聚酰亞胺樹脂耐溫可達(dá)300 ℃以上。環(huán)氧樹脂是目前應(yīng)用最廣的樹脂基體,已在戰(zhàn)斗機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)中成熟應(yīng)用,其工藝性能好、綜合性能優(yōu)異、成本低,但韌性不足,耐疲勞、耐濕熱性差;氰酸酯樹脂具有耐熱性好、低吸水率和優(yōu)異的介電性能等優(yōu)點(diǎn),已在雷達(dá)天線罩、隱形航空器等結(jié)構(gòu)上成功應(yīng)用;雙馬來(lái)酰亞胺樹脂具有良好的耐濕熱、耐高溫、吸濕率低、線膨脹系數(shù)小且具有較好的工藝性等優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外均已在多個(gè)耐高溫部件上成功應(yīng)用,發(fā)展較為迅速;聚酰亞胺樹脂是目前耐熱等級(jí)最高的樹脂基體,可以適應(yīng)更高溫度需求的結(jié)構(gòu)應(yīng)用,美國(guó)第一代(可耐溫316 ℃)、第二代(可耐溫370 ℃)聚酰亞胺產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天多種結(jié)構(gòu)上成功應(yīng)用。
本文以某液體姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用的主承力結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,從方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析及靜力試驗(yàn)等方面開展研究,相關(guān)研究可為類似結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造提供借鑒參考。
為達(dá)到減少質(zhì)量設(shè)計(jì)效果,某姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)中的主承力結(jié)構(gòu)選擇碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料方案。同時(shí),根據(jù)使用溫度范圍為180~220 ℃的要求及相應(yīng)的力學(xué)環(huán)境要求,碳纖維主體的增強(qiáng)材料選用T800碳纖維,基體材料選用雙馬來(lái)酰亞胺樹脂(B2371),該種樹脂材料可耐高溫達(dá)240 ℃,滿足產(chǎn)品實(shí)際使用時(shí)的溫度要求。
圖1為某姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)主承力結(jié)構(gòu)示意圖,該主承力結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)主要組件的安裝結(jié)構(gòu),用于安裝4個(gè)貯箱、1臺(tái)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)、隔熱屏等組件,均為系統(tǒng)中體積大、質(zhì)量大的重要組件。上述組件需布置于圓錐體(小端直徑約為1 000 mm、大端直徑約為1 200 mm,高約為600 mm)包絡(luò)空間內(nèi),空間緊湊,為充分利用空間,設(shè)計(jì)主承力結(jié)構(gòu)可充分利用艙段內(nèi)全空間區(qū)域進(jìn)行組件布局安裝。主承力結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示,由碳纖維復(fù)合材料主體、發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩及金屬角盒組成;主承力結(jié)構(gòu)安裝貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)后的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

圖1 主承力結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram
碳纖維復(fù)合材料主體為異形曲面,外包絡(luò)直徑為1 202 mm,貯箱開口處大端內(nèi)徑φ
483 mm,小端內(nèi)徑φ
453 mm,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖 2。主承力結(jié)構(gòu)中設(shè)置金屬角盒用于對(duì)碳纖維復(fù)合材料主體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、支撐,發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩用于將發(fā)動(dòng)機(jī)與碳纖維主體進(jìn)行連接。為進(jìn)一步進(jìn)行減少質(zhì)量設(shè)計(jì),根據(jù)結(jié)構(gòu)中不同部位的受力情況,產(chǎn)品為變壁厚設(shè)計(jì),同時(shí)將碳纖維主體中受力較小處區(qū)域的材料去除。
圖2 碳纖維主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of carbon fiber main structure
主承力結(jié)構(gòu)采用的T800/B2371單向板復(fù)合材料,其力學(xué)性能設(shè)計(jì)參考值如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)罩作為軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝結(jié)構(gòu),需經(jīng)受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的高溫及力學(xué)環(huán)境,故選用金屬材料,同時(shí)考慮金屬長(zhǎng)期貯存的性能,綜合考慮后選用鈦合金。同理,金屬角盒作為碳纖維主體的補(bǔ)強(qiáng)、支撐結(jié)構(gòu)選用鈦合金。

表1 T800/B2371單向板復(fù)合材料參數(shù)
為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性,進(jìn)行有限元仿真分析,仿真計(jì)算時(shí),貯箱按照滿載工況(即貯箱加注滿載推進(jìn)劑)進(jìn)行仿真計(jì)算。4個(gè)貯箱與主承力結(jié)構(gòu)之間、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩之間、隔熱屏與發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩之間通過螺栓孔節(jié)點(diǎn)建立耦合單元進(jìn)行連接。貯箱內(nèi)液體簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn),與貯箱內(nèi)表面建立耦合單元。其余組件簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn),分別與主承力結(jié)構(gòu)上各自相對(duì)應(yīng)的連接螺栓孔處節(jié)點(diǎn)建立耦合單元連接。對(duì)主承力結(jié)構(gòu)與總體艙段連接的螺栓孔處進(jìn)行固支約束。有限元仿真計(jì)算模型如圖3所示,進(jìn)行靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析,主承力結(jié)構(gòu)在空載及滿載狀態(tài)下的前5階模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示,空載及滿載狀態(tài)下前2階模態(tài)振型圖如圖4所示。

圖3 仿真計(jì)算模型Fig.3 Simulation calculation model

表2 模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果

圖4 空載及滿載模態(tài)振型圖Fig.4 Mode shapes of no-load and full-load
按照試驗(yàn)條件對(duì)主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)及半正弦波沖擊仿真分析,各類仿真分析的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3~表5所示,所有應(yīng)力仿真分析結(jié)果均在表 1材料的設(shè)計(jì)參考值范圍內(nèi),表明該結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)給定的正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)及半正弦波沖擊力學(xué)環(huán)境條件,動(dòng)力學(xué)仿真分析中主承力結(jié)構(gòu)典型應(yīng)力云圖如圖5所示。

表3 正弦振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表4 隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表5 半正弦波沖擊應(yīng)力計(jì)算結(jié)果


圖5 動(dòng)力學(xué)仿真分析典型應(yīng)力云圖Fig.5 Typical stress cloud chart of dynamic simulation analysis
在動(dòng)力學(xué)仿真分析后,進(jìn)行靜力加載計(jì)算,對(duì)模型加載1 t靜載荷,提取主承力結(jié)構(gòu)上10個(gè)位置處的位移值,詳如表6所示,所有位移仿真計(jì)算結(jié)果均小于1 mm,同時(shí)該仿真結(jié)果與同類型結(jié)構(gòu)的仿真分析結(jié)果相比,其位移結(jié)果值較小,結(jié)構(gòu)位移值可以滿足使用要求。

表6 仿真計(jì)算位移結(jié)果
按照仿真計(jì)算結(jié)果確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu),完成實(shí)物生產(chǎn),為驗(yàn)證主承力結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品性能,需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一系列的驗(yàn)證試驗(yàn),其中靜力試驗(yàn)用于驗(yàn)證結(jié)構(gòu)承載能力及工藝方案的合理有效性,是非常重要的一項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中主承力結(jié)構(gòu)的連接方式、加載方式均與產(chǎn)品實(shí)際工況一致。主承力結(jié)構(gòu)與艙段裝配好后,整體安裝在工裝板上,加載點(diǎn)處連接工裝結(jié)構(gòu)形式與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)相同。作動(dòng)筒一端連接在試驗(yàn)臺(tái)橫梁上,另一端與加載點(diǎn)處工裝相連,通過軸壓的方式對(duì)主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,作動(dòng)筒上連有測(cè)力傳感器,監(jiān)測(cè)試驗(yàn)載荷大小,具體如圖 6所示。

圖6 靜力試驗(yàn)加載方式Fig.6 Loading method of static test
靜力試驗(yàn)中主承力結(jié)構(gòu)上共布置10個(gè)位移測(cè)點(diǎn),40個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),位移測(cè)點(diǎn)具體位置與仿真計(jì)算時(shí)提取位移值的位置一致,如圖7所示,同時(shí)在艙段與主承力結(jié)構(gòu)連接處布置測(cè)點(diǎn)11~14。加載至1 t時(shí)各測(cè)點(diǎn)位移見表 7中試驗(yàn)位移結(jié)果,同時(shí)將試驗(yàn)結(jié)果與表 6中仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果較仿真結(jié)果普遍偏高,且有6個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移值遠(yuǎn)大于1 mm,試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)構(gòu)位移不能滿足產(chǎn)品使用工況要求。

圖7 位移測(cè)點(diǎn)分布Fig.7 Distribution of displacement measuring points

表7 靜力試驗(yàn)位移測(cè)試值與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析
對(duì)比仿真計(jì)算與試驗(yàn)差別之處主要在于試驗(yàn)中主承力結(jié)構(gòu)的邊界條件與實(shí)際使用工況一致,為主承力結(jié)構(gòu)與總體艙段通過螺栓連接,但在仿真計(jì)算中主承力結(jié)構(gòu)的邊界條件為固支約束,與實(shí)際連接方式相比,剛性增大,同時(shí)在仿真計(jì)算中主承力結(jié)構(gòu)上安裝了滿載狀態(tài)的貯箱也對(duì)提高主承力結(jié)構(gòu)的剛性起到一定的作用,故導(dǎo)致仿真計(jì)算位移值偏小。同時(shí),通過靜力試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)11~14的位移值已將近0.5 mm,與同類型結(jié)構(gòu)類比,位移值較大,也可說(shuō)明主承力結(jié)構(gòu)與艙段連接后整體剛性偏低。
因此,按照與靜力試驗(yàn)相同的狀態(tài)進(jìn)行建模計(jì)算,主承力結(jié)構(gòu)與艙段通過40個(gè)螺栓螺接、膠接的方式進(jìn)行連接,有限元模型如圖8所示。通過該模型計(jì)算獲得與靜力試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)相同位置處的位移值,詳見表 7,經(jīng)數(shù)據(jù)比對(duì),按此模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。主承力結(jié)構(gòu)的邊界條件約束對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果影響較大,同時(shí)說(shuō)明主承力結(jié)構(gòu)與艙段連接后剛性較弱,導(dǎo)致主承力結(jié)構(gòu)變形較大。

圖8 有限元計(jì)算模型Fig.8 Finite element calculation model
為使主承力結(jié)構(gòu)滿足使用要求,需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化改進(jìn)。經(jīng)分析認(rèn)為需將主承力結(jié)構(gòu)與艙段連接處的剛性加強(qiáng),為保證強(qiáng)化改進(jìn)效果,同時(shí)對(duì)主承力結(jié)構(gòu)本體進(jìn)行強(qiáng)化,具體措施如下:在艙段與主承力結(jié)構(gòu)連接處增加厚8 mm,寬230 mm的環(huán)帶;在主承力結(jié)構(gòu)的球窩中間增加支撐結(jié)構(gòu)以提高結(jié)構(gòu)剛性。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖如圖9所示,并按強(qiáng)化后的主承力結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析計(jì)算,得到各點(diǎn)位移值如表8所示,經(jīng)強(qiáng)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)位移變形量可以滿足使用要求。按照相同的試驗(yàn)方法對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后的主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表 8。試驗(yàn)結(jié)果顯示靜力試驗(yàn)位移值與仿真結(jié)果一致性較好,且與第一輪靜力試驗(yàn)結(jié)果相比,位移減小較為顯著,結(jié)構(gòu)強(qiáng)化改進(jìn)措施效果明顯,滿足使用要求。

圖9 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)示意圖Fig.9 Diagram of structural reinforcement

表8 結(jié)構(gòu)強(qiáng)化后靜力試驗(yàn)位移測(cè)試值與仿真 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析
對(duì)本文中復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)在型號(hào)應(yīng)用中遇到的實(shí)際問題及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),碳纖維復(fù)合材料的研制需求和發(fā)展趨勢(shì)主要包括3個(gè)方面:自主可控、耐高溫、長(zhǎng)貯性能判定。
先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,在航空飛機(jī)上復(fù)合材料占所用材料總量的比例已達(dá)30%~40%;在衛(wèi)星、宇航、導(dǎo)彈等航天領(lǐng)域中,復(fù)合材料除可以減少質(zhì)量外,其兼具的防熱、隔熱、耐高溫及耐濕熱等特性,使其應(yīng)用更為廣泛。同時(shí),復(fù)合材料性能的不斷提升使其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展,相應(yīng)的其需求量也越來(lái)越大。
本文中復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)所應(yīng)用的型號(hào)已明確提出所有原材料需滿足100%國(guó)產(chǎn)化要求,然而目前航空航天產(chǎn)品使用的高性能碳纖維多為進(jìn)口產(chǎn)品,如日本東麗公司生產(chǎn)的T700、T800等碳纖維材料。碳纖維及碳纖維制品為重要的戰(zhàn)略物資,隨著國(guó)內(nèi)復(fù)合材料技術(shù)的不斷提升,國(guó)產(chǎn)碳纖維單絲及絲束在截面形狀、表面粗糙度、拉伸性能等方面與進(jìn)口碳纖維相當(dāng),但由于工藝等原因?qū)е聡?guó)產(chǎn)性能穩(wěn)定性較差。國(guó)產(chǎn)單向復(fù)合材料拉伸性能約為進(jìn)口復(fù)合材料的70%~85%,同時(shí)通過拉伸破壞試驗(yàn)及爆破試驗(yàn)可以得出國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料質(zhì)量穩(wěn)定性、工藝性與進(jìn)口碳纖維相比仍存在較大差距。實(shí)現(xiàn)更高性能碳纖維技術(shù)的自主可控是必然的發(fā)展趨勢(shì),也是目前戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器型號(hào)必須滿足的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)之一。
航天器再入大氣層的防熱問題及提高發(fā)動(dòng)機(jī)材料的耐高溫性能均是航天領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),兩者均對(duì)材料耐高溫性能有著極高的要求。隨著復(fù)合材料在彈體結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管中的應(yīng)用,其耐高溫性能也成為關(guān)鍵性能之一。本文中復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)也同樣面臨飛行過程中的高溫環(huán)境。
國(guó)外第三代聚酰亞胺樹脂使用溫度為426 ℃,國(guó)內(nèi)目前已成功研制出耐420 ℃高溫的聚酰亞胺樹脂,雖然國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究,并獲得階段性成果,但距離工程應(yīng)用仍有一定距離。對(duì)于更高使用溫度的嚴(yán)酷環(huán)境,仍需要研制新的耐高溫復(fù)合材料。同時(shí),高溫樹脂的加工制造工藝性差、加工成本高的問題也待解決。
本文中復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)所應(yīng)用的型號(hào)已提出產(chǎn)品長(zhǎng)期貯存27年的要求,這對(duì)于型號(hào)中應(yīng)用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu),如艙段、主承力結(jié)構(gòu)及其余復(fù)合材料制品,均有相同的長(zhǎng)期貯存要求。其中耐老化是復(fù)合材料長(zhǎng)期貯存后使用的重要指標(biāo),導(dǎo)致其老化的因素主要有內(nèi)因和外因,內(nèi)因主要是指材料的組成、鏈結(jié)構(gòu)以及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,外因是指使用環(huán)境,其中以光、熱、濕、氧等因素對(duì)材料影響顯著。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合材料老化問題的研究主要集中在人工氣候老化、熱氧老化、光氧老化、濕熱老化及臭氧老化,主要老化機(jī)理包括游離基反應(yīng)機(jī)理、離子—分子機(jī)理、擴(kuò)散控制論機(jī)理。
上述大部分研究均為針對(duì)單一因素進(jìn)行試驗(yàn)研究,各種老化環(huán)境的綜合影響及相互作用暫無(wú)系統(tǒng)性的研究,對(duì)于復(fù)合材料長(zhǎng)貯后的性能也缺乏定量數(shù)據(jù)支撐。需通過長(zhǎng)貯試驗(yàn)進(jìn)一步獲得材料的性能參數(shù),長(zhǎng)貯試驗(yàn)一般采用自然貯存試驗(yàn)、加速貯存試驗(yàn)這兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行,但目前對(duì)于加速貯存試驗(yàn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)結(jié)果判定準(zhǔn)則尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依,這也成為目前亟待解決的問題。
本文針對(duì)某姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元仿真分析及靜力試驗(yàn)研究,通過在艙段與主承力結(jié)構(gòu)連接處增厚、在主承力結(jié)構(gòu)球窩中增加支撐結(jié)構(gòu)等方式,改善了主承力結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛性,最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、性能滿足使用要求。相關(guān)研究為類似結(jié)構(gòu)復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造提供了有益參考。