房紅軍，楊 雷

(中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094)

1 引言

載人飛船返回艙有陸上和海上兩種回收方式，海上回收時(shí)返回艙濺落在海上，也稱為濺水、著水，美國(guó)的載人飛船均采取海上回收方式［1］。物理實(shí)驗(yàn)表明，返回艙著水過程中，可能出現(xiàn)高達(dá)數(shù)十倍重力加速度的沖擊過載峰值［2］。沖擊載荷的大小受到著水速度、姿態(tài)和艙體結(jié)構(gòu)等因素的影響，阿波羅12號(hào)在與水面碰撞時(shí)姿態(tài)偏離了5.5°～7.5°，導(dǎo)致了“阿波羅”所有飛行任務(wù)中最嚴(yán)重的15倍重力加速度(15 g)的著水沖擊過載，艙壁上的一攝像機(jī)脫落，將一名宇航員頭部砸傷［3-4］。高出允許范圍的沖擊載荷會(huì)威脅到航天員的安全，關(guān)系到任務(wù)的成敗，在飛船的設(shè)計(jì)階段需要對(duì)該過程的特性有足夠的掌握。

從“水星”號(hào)開始，為了分析和驗(yàn)證載人飛船返回艙的著水性能，工程上進(jìn)行了諸多物理實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在理論的解析方法方面也做了一些研究［2，5-6］。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法的發(fā)展，仿真分析成為了解復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程的有力工具，在返回艙著水沖擊問題上也逐漸得到應(yīng)用［7］。

2 問題的理論背景

2.1 入水沖擊問題的解析方法

返回艙著水時(shí)，艙體的變形和運(yùn)動(dòng)與流場(chǎng)之間存在復(fù)雜交互作用，是一個(gè)流固耦合過程。1929 年Th.von Karman［8］最早從理論方面入手，采用動(dòng)量定理，建立了水上飛機(jī)浮舟入水問題的簡(jiǎn)化物理模型。

von Karman方法在工程上應(yīng)用較多，美國(guó)的“水星”號(hào)飛船、“阿波羅”飛船以及我國(guó)的“神舟”飛船對(duì)著水特性的分析都曾使用von Karman方法來計(jì)算返回艙垂直以0°姿態(tài)角著水過程的沖擊過載［2，5-6］。Hirano 等［9］設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證von Karman方法的準(zhǔn)確性，圖1為S-1、S-2、S-3三個(gè)不同半徑的球形試件入水沖擊過載的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比。

圖1 Hirano和Miura的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比Fig.1 Comparison of Hirano and Miura’s theoretical analysis results with experiment results

1932 年，Wagner［10］將 von Karman 的方法理論化，采用勢(shì)流理論求解。Wagner考慮了沖擊時(shí)的水面抬升現(xiàn)象，提出了小斜升角模型的近似平板理論，得到了沖擊壓力在結(jié)構(gòu)沾濕面上的分布狀況。此外，Wagner還探討了物體以常速度入水時(shí)流體流動(dòng)的自相似特點(diǎn)，后續(xù)的很多研究都基于Wagner理論模型。

1967年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)與北美航空工業(yè)公司(NAA)合作開發(fā)用于分析“阿波羅”指令艙結(jié)構(gòu)在著水沖擊過程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)的Fortran程序［11］。這部分工作中，NAA采用勢(shì)流理論分析了剛性球底入水沖擊載荷，并編制了計(jì)算程序;然后編制計(jì)算殼體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的程序，將這兩部分結(jié)合得到返回艙結(jié)構(gòu)的入水沖擊響應(yīng)。

初期入水沖擊問題的研究以求解近似解析解為主，主要方法有擬合法，變換法，漸進(jìn)匹配法和自相似理論。

1)擬合法

Shiffman等［12-14］將物體近似為棱形和橢圓形來研究球體和圓錐體的入水問題，隨后Bisplinghoff等［15］采用棱形擬合，F(xiàn)abula［16］采用橢圓擬合等近似方法求解，這是對(duì)Wagner平板擬合的推廣。

2)變換法

Gavrilenko等［17］將流場(chǎng)的控制方程和邊界條件對(duì)時(shí)間變量作 Laplace變換，在變換后的Laplace空間中求解，求解中還考慮了流體的可壓縮性;Mei等［18］提出一種基于線性自由面條件的解析變換方法，求解任意剖面的二維物體垂直入水沖擊問題，給出了物面壓力分布和載荷的時(shí)間歷程。

3)漸進(jìn)匹配法

Cointe等［19］發(fā)展了 Wagner模型的漸近匹配解法，將流域分為內(nèi)域，外域和射流區(qū)，對(duì)壓力進(jìn)行漸近匹配求解，Wilson［20］，Howison［21］和 Fraenkel等［22］也對(duì)這種方法進(jìn)行了研究。Zhao 等［23］的分析中，保留伯努利方程的非線性，物面使用真實(shí)條件，只對(duì)自由液面條件進(jìn)行線性化處理，同時(shí)還給出了一種計(jì)入了射流影響的漸近解法。Korobkin等［24］還將漸進(jìn)匹配解運(yùn)用到結(jié)構(gòu)與流體的水彈性分析中。

4)自相似理論

Dobrovolskaya［25］進(jìn)一步研究了 Wagner 提到的自相似理論，把問題轉(zhuǎn)化為對(duì)一維非線性奇異積分方程的求解，并給出了數(shù)值求解過程。

入水沖擊問題求解面臨的最大困難是3個(gè)方面的非線性:沾濕表面的非線性、自由液面邊界條件的非線性和伯努利方程的非線性［26］，也因此導(dǎo)致了解析解的推導(dǎo)有很大難度，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)值技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)入水沖擊問題的數(shù)值方法逐漸發(fā)展起來，目前已經(jīng)成為研究結(jié)構(gòu)入水沖擊問題的主要手段。

2.2 入水沖擊問題的數(shù)值方法

事實(shí)上，早期 Garabedian［27］和 Borg［28］就曾利用數(shù)值方法來求解Wagner模型中的邊界值問題。有限差分法、有限元法、邊界元法和CFD技術(shù)隨后也都被用來研究結(jié)構(gòu)入水沖擊問題。此外，先利用解析方法對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，再利用數(shù)值手段求解邊界值問題也是處理復(fù)雜水動(dòng)力學(xué)問題的一種重要途徑［29］。

1)有限差分法

Verhagen［30］采用有限差分法求解一維氣體運(yùn)動(dòng)方程和二維液體流場(chǎng)的Laplace方程，計(jì)算了剛性平板低速入水沖擊問題;Koehler［31］和Nichols［32］等則采用矩形網(wǎng)格的有限差分格式對(duì)流場(chǎng)的空間域和時(shí)間軸進(jìn)行離散，基于N-S方程，研究了剛性平板和圓柱的入水沖擊響應(yīng)，其中考慮了流體粘性和重力影響。

2)有限元法

Marcal［33］采用有限元方法，將流體元處理為具有某種材料特性的固體元，引入間隙元代替流固結(jié)合部分以處理接觸問題，在時(shí)域中采用有限差分的離散方法計(jì)算了無限長(zhǎng)圓柱體砰擊問題。Peseux［34］等基于Wagner模型研究了三維錐形物體的入水過程，通過有限元法求解，并考慮了結(jié)構(gòu)柔性的影響。陳霄等［35］對(duì)結(jié)構(gòu)采用Lagrange格式有限元，流體則采用有限體積法離散的Euler單元，分析了平底結(jié)構(gòu)入水沖擊的壓力分布。黃勇［36］采用ALE-FEM方法模擬了民用飛機(jī)的水上迫降過程。

3)邊界元法

Geers等首先利用邊界元法求解附加質(zhì)量和二維入水問題［37］。Zhao 等［38］進(jìn)一步研究和發(fā)展了Dobrovolskaya的相似方法，使其能夠處理小角度問題，并應(yīng)用非線性邊界元法計(jì)算了任意截面物體的二維入水問題。盧熾華等［39］在完全非線性自由液面的條件下，采用線性單元的邊界積分方法，分析了二維剖面的入水沖擊過程。盧熾華等［40］還通過對(duì)流場(chǎng)使用邊界元，對(duì)結(jié)構(gòu)使用有限元建立完全耦合方程，求解了二維楔形物體以常速度入水沖擊時(shí)的流場(chǎng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。Wu［41］將邊界元方法和解析法相結(jié)合，同時(shí)采用拉伸坐標(biāo)系和時(shí)間推進(jìn)技術(shù)，給出了自由下落物體入水沖擊的數(shù)值解。Korobkin和 Iafrati［42］將漸進(jìn)展開法與邊界元法結(jié)合計(jì)算了二維船形結(jié)構(gòu)的入水問題。魏照宇等［43］利用以柯西積分為積分方程的復(fù)數(shù)變量邊界元法，結(jié)合淺水近似對(duì)射流問題進(jìn)行處理，研究了楔形體常速入水的沖擊問題。

4)CFD技術(shù)

宜建明等［44］用MAC方法計(jì)算了錐形和球形頭部物體垂直入水問題。Sames等［45］采用基于平均雷諾數(shù)的N-S方程的有限體積法給出了求解了一些船形剖面的入水問題。陳宇翔等［46］使用VOF方法捕捉自由表面，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)零浮力圓柱入水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。Oger等［47］采用SPH方法模擬了船艏入水的瞬時(shí)砰擊現(xiàn)象。黃勇［36］的研究中也采用了SPH方法模擬飛機(jī)水上迫降的沖擊過程。

盡管結(jié)構(gòu)入水沖擊問題的研究方法眾多，但多針對(duì)特定模型，且往往需要編制專用程序，計(jì)算復(fù)雜且效率低，難以處理大型問題。工程上，針對(duì)返回艙著水沖擊載荷的初步的設(shè)計(jì)多采用簡(jiǎn)化的解析方法，如 von Karman 方法［2，6］。然而簡(jiǎn)化的解析方法具有很大的局限性，難以求解返回艙以任意姿態(tài)、帶有水平速度著水沖擊的問題，而數(shù)值方法往往受限于有限的計(jì)算資源，難以對(duì)返回艙著水特性做到全局掌握。Horta等［48］采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法解決這個(gè)矛盾，在對(duì)“獵戶座”乘員艙著水特性的研究中，Horta等首先使用有限元法求解有限個(gè)隨機(jī)工況下返回艙著水的響應(yīng)，然后建立該問題的響應(yīng)曲面(Response Surface)模型，研究了艙體速度，方向，姿態(tài)，水的速度和方向等因素對(duì)返回艙著水特性的影響。

3 返回艙著水問題實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)返回艙著水特性的實(shí)驗(yàn)研究是隨著載人飛船的研制一同開展的［49］，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中采用艙體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不同，這里將其分為如下模型實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)兩類。

3.1 模型實(shí)驗(yàn)

1958年夏末，Langley研究中心制作了“水星”號(hào)一種圓錐構(gòu)型返回艙的1/12縮比模型和全尺寸模型，專門用于驗(yàn)證其著水特性和漂浮穩(wěn)定性［2］。

1959年，Langley研究中心使用縮比模型研究了球形、錐形和凹凸形三種大底形狀對(duì)返回艙著水特性的影響［50］。其中凹凸形底面是根據(jù)von Karman提出的結(jié)構(gòu)入水沖擊載荷計(jì)算公式［2］設(shè)計(jì)，目的是保持著水沖擊加速度的增長(zhǎng)率不超過500 g/s，峰值在15 g左右。

縮比模型實(shí)驗(yàn)研究乘員在著水過程中的受載情況存在一定困難。1959年的另外一次1/6縮比模型實(shí)驗(yàn)中，在偏離縱軸±0.62 m的位置安裝了加速度計(jì)，用以表示航天員頭部最可能出現(xiàn)的位置。結(jié)果顯示，這兩個(gè)位置的縱向過載較質(zhì)心處過載，會(huì)出現(xiàn)±65%以內(nèi)的偏離［51］。

NASA在1962年對(duì)“雙子星座”兩種水上濺落方式和使用制動(dòng)火箭的路上著陸方式都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［52］。著水實(shí)驗(yàn)采用1/6縮比模型，相比“水星”號(hào)，這部分工作考慮的因素更多:增加了角加速度計(jì)、艙體上布置壓力傳感器、考慮海況的影響，除了靜水實(shí)驗(yàn)外，還模擬了1.4 m浪高，27.4 m波峰間距的波浪。降落傘著陸方式返回艙實(shí)驗(yàn)中考慮了艙體小端向前的著水狀態(tài)，其著水特性與大底向前的狀態(tài)有明顯不同。

Langley研究中心在1964年專門研究了海浪對(duì)“雙子星座”返回艙的著水特性的影響［5］，實(shí)驗(yàn)?zāi)M4級(jí)海浪，艙體總是在迎來的海浪上著水。此外，這次實(shí)驗(yàn)還考慮了不同偏航角對(duì)返回艙著水特性的影響。結(jié)果表明，同樣的俯仰角下，返回艙以90°的偏航角著水可以顯著的減小縱向和橫向的過載，艙體也只有很小的傾斜和橫滾。

Stubbs等［54-56］在“阿波羅”計(jì)劃的研制過程中進(jìn)行了多次飛船指令艙模型的著水實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)中，指令艙多采用1/4縮比模型，大底采用復(fù)合材料，其彈性特性是一種早期指令艙方案防熱大底的縮放，用來模擬大底的變形，但對(duì)失效特性沒有模擬。實(shí)驗(yàn)還對(duì)返回艙以不同的滾轉(zhuǎn)角著水的狀態(tài)進(jìn)行了模擬，而且更加關(guān)心大底上的壓強(qiáng)分布情況。

Langley研究中心專門研究了指令艙模型大底的彈性對(duì)著水特性的影響［57］。對(duì)比在兩個(gè)實(shí)心指令艙1/4模型和一個(gè)帶有彈性大底的指令艙1/4模型之間進(jìn)行，彈性大底的(E是彈性模量，I是面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，b是大底特征長(zhǎng)度)與實(shí)際飛船結(jié)構(gòu)相似。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，彈性模型受到的最大作用力接近實(shí)心(剛性)模型的兩倍，且加速度，壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)隨速度的不同變化很大。

美國(guó)西南研究所(SwRI)在1964和1965年也對(duì)“阿波羅”指令艙的著水問題進(jìn)行了研究［58-59］。他們的研究最大的亮點(diǎn)在于:首次通過縮比模型模擬返回艙著水沖擊的真實(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。SwRI設(shè)計(jì)的1/4.5縮比模型，不僅保證幾何相似，對(duì)關(guān)注部位和起關(guān)鍵作用的部位的材料特性、結(jié)構(gòu)特性、初始失效模式(Failure Initiation)等也進(jìn)行動(dòng)力學(xué)縮放。與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)相比，SwRI模型的艙體加速度和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效時(shí)的臨界速度較為一致，但壓強(qiáng)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)變響應(yīng)和減震支柱行程等差別很大，只在時(shí)間曲線的特征上相似。Benson［5］在對(duì)“阿波羅”飛船指令艙著水問題的研究進(jìn)行的概要性總結(jié)中認(rèn)為，這種使用彈性縮比模型獲取指令艙設(shè)計(jì)沖擊壓力的方法是有效的，且成本和時(shí)間花費(fèi)方面都有優(yōu)勢(shì)(使用3個(gè)月的時(shí)間得到“阿波羅”指令艙球形大底的設(shè)計(jì)載荷)，但少量的全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證必不可少。

1996年中國(guó)航天工業(yè)總公司501部與中國(guó)船舶科學(xué)研究中心合作進(jìn)行了“返回艙漂浮和水上沖擊特性計(jì)算及縮比試驗(yàn)”的研究項(xiàng)目［6］，實(shí)驗(yàn)采用玻璃鋼制作的1/4縮比模型，模擬返回艙以大端，小端和水平3種狀態(tài)在0～12 m/s的速度下的垂直著水。

2011年NASA工程安全中心(NESC)與Altair公司合作進(jìn)行了乘員艙的著水實(shí)驗(yàn)和仿真分析［60］。圖3為乘員艙的全尺寸模型著水的瞬間，NASA提供的艙體模型由鋼板焊接而成，可以視為剛體，艙體上安裝了加速度計(jì)、應(yīng)變儀、慣性測(cè)量裝置和壓力傳感器。艙體外表面布滿了攝像目標(biāo)物(圖3中白色圓點(diǎn))，來輔助實(shí)現(xiàn)艙體軌跡的精確測(cè)量，艙體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使用高速攝像機(jī)記錄。

圖3 Altair公司進(jìn)行的“獵戶座”乘員艙著水實(shí)驗(yàn)Fig.3 Water landing experiment of Orion capsule by Altair，Inc.

綜上可知，艙體模型的選擇是著水實(shí)驗(yàn)首要考慮的，用于返回艙著水實(shí)驗(yàn)的模型大多為縮比模型，并可根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度進(jìn)一步分類為剛性模型和彈性模型兩種。剛性模型只具備與真實(shí)返回艙相似的外形，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制造簡(jiǎn)單，成本低，研制周期短，但其僅能獲得沖擊過載、入水深度等返回艙的主要著水特性，多用在方案設(shè)計(jì)初期;彈性模型對(duì)返回艙幾何外形進(jìn)行縮放的同時(shí)對(duì)真實(shí)結(jié)構(gòu)的彈性特性進(jìn)行了縮放，其制造成本介于剛性模型和返回艙樣機(jī)之間，能夠有效的分析結(jié)構(gòu)彈性產(chǎn)生的影響和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但如何提高彈性縮放的準(zhǔn)確性應(yīng)是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

3.2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

與用于著水實(shí)驗(yàn)的返回艙模型不同，全尺寸樣機(jī)具有部分甚至全部的真實(shí)回艙結(jié)構(gòu)(最為典型的是加壓密封艙)，且樣機(jī)內(nèi)部可以布置乘員座椅系統(tǒng)和假人。

“水星號(hào)”帶有緩沖氣囊的著水實(shí)驗(yàn)多采用全尺寸返回艙，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并解決了氣囊承受剪切力過大、疲勞破壞、穩(wěn)定性降低等問題［61-62］。1961年2月McDonnell公司進(jìn)行了帶“緩沖裙”裝置的“水星號(hào)”返回艙著水試驗(yàn)，返回艙采用樣板件，裝有鈹防熱大底，試驗(yàn)中“緩沖裙”的不銹鋼索成功拉伸到了設(shè)計(jì)極限［63］。

“雙子星座”飛船研制過程中，曾制造樣板件返回艙4號(hào)(Boilerplate No.4)用來驗(yàn)證飛船結(jié)構(gòu)是否能夠承受沖擊過載并保證乘員座艙部分不漏水。試驗(yàn)將返回艙樣品彈射到水中，模擬由海浪和風(fēng)引起的最壞工況。在艙體小端向前的著水工況中，艙體局部出現(xiàn)變形，隨后的充壓測(cè)試發(fā)現(xiàn)局部有小量泄漏。但經(jīng)過39 h的漂浮測(cè)試后(緊接著落水測(cè)試)，只有567 g的水滲入［64］。

1962年“阿波羅”樣機(jī)BP-1通過NASA驗(yàn)收并在NASA的工程研發(fā)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了地面和水面的著陸沖擊測(cè)試［65］?！鞍⒉_”指令艙大部分全尺寸樣機(jī)著水實(shí)驗(yàn)由NAA完成，這些實(shí)驗(yàn)中大多采用樣板件，具有指令艙的大部分真實(shí)結(jié)構(gòu)，并隨著研制的進(jìn)行不斷改進(jìn)［58，66］。

1967火災(zāi)事故以前，“阿波羅”飛船共計(jì)進(jìn)行過104次全尺寸指令艙的著水試驗(yàn)，之后又進(jìn)行了9次。其中4次使用的指令艙是飛船樣機(jī)與樣板件的混合模型(hybrid spacecraft/boilerplate)，內(nèi)部安置了乘員座椅和仿生假人，另外5次使用的是飛船樣機(jī)。只有最后一次試驗(yàn)中艙體具有水平速度分量，防熱大底內(nèi)層和乘員艙外部側(cè)壁出現(xiàn)了失效，而乘員座艙保持密封。這次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)被用作逼近最終指令艙結(jié)構(gòu)能力包絡(luò)線(structural capability line)［67］。

圖4 “獵戶座”乘員艙樣機(jī)著水實(shí)驗(yàn)Fig.4 Water landing experiment of Orion capsule prototype

“獵戶座”飛船的乘員艙可以看作是“阿波羅”指令艙的放大，且具有更低的著陸速度，Edwin根據(jù)相似原理判斷“獵戶座”著水時(shí)經(jīng)受的沖擊載荷會(huì)更小，但同時(shí)也指出設(shè)計(jì)中的仿真和實(shí)驗(yàn)工作必不可少，并應(yīng)由樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證［68］。Langley研究中心專門制定了一系列的綜合試驗(yàn)分析計(jì)劃［69］來設(shè)計(jì)和驗(yàn)證“獵戶座”乘員艙地面著陸和水面著陸的能力。圖4為2011年8月的一次樣機(jī)著水試驗(yàn)?！矮C戶座”飛船的樣機(jī)著水試驗(yàn)分為2個(gè)階段，前一階段中樣機(jī)大底和后端壁之間會(huì)填充木質(zhì)層，防止著水過程出現(xiàn)變形;后一階段會(huì)把填充去掉，以便觀察結(jié)構(gòu)響應(yīng)和傳力路徑［69，70］。

相比返回艙模型著水實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得最真實(shí)全面的數(shù)據(jù)，從而對(duì)返回艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、緩沖座椅設(shè)計(jì)和艙內(nèi)沖擊過載環(huán)境等進(jìn)行全面的考察和驗(yàn)證，多用在方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段;但樣機(jī)制作成本高，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，且著水實(shí)驗(yàn)中容易發(fā)生損壞，上述“獵戶座”乘員艙的著水實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)艙體樣機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造來實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)使用，是值得借鑒的一種手段。

4 通用動(dòng)力學(xué)分析程序在返回艙著水仿真上的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代前后瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析程序迅速發(fā)展起來，尤其是 LS-DYNA，Radioss和MSC.Dytran目前已同時(shí)具備Lagrange求解器和Euler求解器，使其既能模擬結(jié)構(gòu)變形又能模擬流體流動(dòng)，程序可以將結(jié)構(gòu)和流體建立在同一個(gè)模型內(nèi)以進(jìn)行流固耦合分析［71-73］。

溫坤等［74］使用 MSC.Dytran軟件，分別對(duì)了剛性，半剛性和彈性體艙體進(jìn)行了著水仿真分析?？諝獠捎肎amma狀態(tài)方程，水使用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程。雖然沒有進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)對(duì)比，但其分析結(jié)果符合返回艙著水的一般特性。

1993年，Brooks等［7］對(duì)返回艙著水問題進(jìn)行了研究，首次采用LS-DYNA 3D程序進(jìn)行著水問題的仿真分析。2004年，Irvin航空航天公司的Taylor等［75］在研究了著水仿真參數(shù)的影響后建立了“阿波羅”指令艙的著水仿真模型，并與Stubbs［55］進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，得到了滿意的結(jié)果。

“獵戶座”飛船在研制過程中使用LS-DYNA進(jìn)行了大量的分析工作。Langley研究中心的Wang等［76］使用LS-DYNA建立了“獵戶座”乘員艙的著水模型，重點(diǎn)對(duì)網(wǎng)格密度和結(jié)構(gòu)彈性的影響展開研究。Littell等［77］使用LS-DYNA分析了“獵戶座”乘員艙可能出現(xiàn)的最惡劣著水工況。Lawrence［78-79］等使用 LS-DYNA 分別建立了“獵戶座”乘員艙著水模型和乘員-座椅系統(tǒng)的有限元模型。首先分析艙體的著水響應(yīng)，得到座椅系統(tǒng)所在位置處的加速度數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)輸入到乘員-座椅系統(tǒng)模型中，進(jìn)而獲得乘員的響應(yīng)。NESC也使用LS-DYNA模擬“獵戶座”乘員艙的著水過程，并對(duì)乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估［80］，建立了包含乘員和座椅系統(tǒng)的模擬真實(shí)返回艙材料和結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖5所示。

圖5 “獵戶座”乘員艙“系統(tǒng)級(jí)”有限元著水仿真模型Fig.5 System level FEM models of Orion capsule for water landing simulation

國(guó)內(nèi)方面，王永虎等［81］使用LS-DYNA對(duì)剛性和彈性返回艙垂直著水過程進(jìn)行了仿真，并與von Karman和Wagner的解析解計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析。張?zhí)搼眩?2］對(duì)“神舟”飛船返回艙的著水問題進(jìn)行了基于LS-DYNA的仿真分析工作，研究了液體狀態(tài)方程參數(shù)和艙體彈性對(duì)仿真結(jié)果的影響，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法開展了返回艙著水特性的單因子和雙因子影響因素分析。

在NASA NESC和Altair公司合作進(jìn)行的“獵戶座”乘員艙的著水實(shí)驗(yàn)和仿真分析研究［60］中，Patel等使用Radioss求解著水沖擊響應(yīng)，借助事先進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型了校正。

使用通用動(dòng)力學(xué)分析程序進(jìn)行返回艙的著水仿真分析的優(yōu)勢(shì)在于:建模過程基本上不需考慮艙體外形、入水姿態(tài)及入水速度的限制，這給工程應(yīng)用帶來極大便利。另一方面，仿真分析中的返回艙可以對(duì)結(jié)構(gòu)、材料、緩沖座椅和乘員等進(jìn)行建模，獲得詳細(xì)的過載、應(yīng)力、應(yīng)變甚至結(jié)構(gòu)破壞數(shù)據(jù)，這是物理實(shí)驗(yàn)無法做到的。但也應(yīng)注意到，返回艙著水沖擊問題仿真分析的重點(diǎn)是仿真模型和結(jié)果的正確性、準(zhǔn)確度，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證必不可少。

5 結(jié)語

載人飛船的返回艙在水上濺落時(shí)經(jīng)受的力學(xué)環(huán)境復(fù)雜且嚴(yán)峻，惡劣的情況下，會(huì)造成返回艙結(jié)構(gòu)和設(shè)備的損壞，甚至威脅到乘員的安全，是飛船的設(shè)計(jì)過程中必須考慮的。物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得最真實(shí)的數(shù)據(jù)，包括艙體上的壓力、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)和破壞、滲漏等，直到目前的新一代載人飛船，實(shí)驗(yàn)依然是最主要的手段。然而實(shí)驗(yàn)需要制造樣機(jī)、模型，乃至建設(shè)專門的場(chǎng)地，成本高，周期長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)仿真分析彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)方法的不足，仿真模型可以根據(jù)設(shè)計(jì)的更改而快速做出修改，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)曲面分析等方法對(duì)惡劣工況做出準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，從而有效的減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，具有較大的應(yīng)用前景。

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