華寅淞，丁關(guān)錦，張 游，堵同亮，鐵文軍

(上海航天設(shè)備制造總廠有限公司·上?！?00245)

0 引 言

運(yùn)載火箭貯箱排氣管的主要功能是為了滿足增壓輸送系統(tǒng)在測試階段的貯箱放氣和在發(fā)射準(zhǔn)備階段的貯箱排氣要求，其通常位于排氣閥門或安全閥門的后端。考慮到在充氣狀態(tài)下貯箱箱底的變形及導(dǎo)管在焊接后的變形，需要在排氣管上增加波紋管以補(bǔ)償此變形[1]。排氣管中的波紋管面對的力學(xué)環(huán)境較為復(fù)雜，可導(dǎo)致波紋管變形的影響因素眾多，裝配變形、貯箱變形、排氣時(shí)的氣流沖刷等都可能導(dǎo)致波紋管變形而造成破壞。若波紋管在裝配變形和貯箱變形的影響下，材料已經(jīng)進(jìn)入或接近屈服極限，則在排氣氣流的沖刷下，波紋管可能在多次排氣后被損壞，從而導(dǎo)致貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑在封閉環(huán)境內(nèi)造成聚集，在嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致毀滅性的災(zāi)難。

某運(yùn)載型號(hào)在推進(jìn)劑加注后發(fā)現(xiàn)排氣管波紋管破裂的故障，由于排氣管安裝在貯箱及排氣閥門的后端，排氣管對運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)的影響較小，故而未引起災(zāi)難性的后果。但是，若排氣管安裝在貯箱與排氣閥門之間，或者因排氣時(shí)間長而造成富氧環(huán)節(jié)，則將可能造成火箭爆炸的災(zāi)難性后果。

本文以某型號(hào)故障排氣管為分析對象，在文章第一部分構(gòu)建了排氣管的受力模型，在第二部分對排氣管在實(shí)際工況下的變形因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，在第三部分針對前文分析的因素對排氣管在各種變形工況下做出了仿真分析，最后采用1∶1地面真實(shí)沖刷試驗(yàn)，通過對排氣管的試驗(yàn)分析驗(yàn)證了仿真分析的有效性，得出了排氣管波紋管破裂的真實(shí)原因，并對改進(jìn)方向進(jìn)行了展望。

1 排氣管受力模型的建立[2]

某運(yùn)載型號(hào)故障排氣管采用了排氣閥和安全閥共用1個(gè)出口的安裝方式，在排氣閥端安裝了1個(gè)補(bǔ)償器，在安全閥端安裝了1個(gè)補(bǔ)償器，如圖1所示。波紋管選用了5個(gè)波的補(bǔ)償器，補(bǔ)償量為±8mm，可耐壓1.4MPa。本文以排氣閥門端的波紋管為研究對象。

圖1 排氣管的組成及破裂位置Fig.1 Exhaust pipe composition and rupture location

在考慮安裝及貯箱變形對排氣管變形的影響時(shí)，可將排氣管受力模型進(jìn)行簡化，將除波紋管之外的所有零件均視為剛性零件，簡化圖如圖2所示。

(a)實(shí)際模型(a) Real model

(b)簡化模型(b) Simplified model圖2 排氣管排氣閥端波紋管的受力模型Fig.2 Mechanical model of exhaust pipe

2 排氣管中波紋管的變形因素分析

2.1 導(dǎo)管取樣及焊接變形導(dǎo)致的裝配偏差

由于運(yùn)載火箭貯箱箱底空間的局限，管路走向具有局限性，且導(dǎo)管需要在現(xiàn)場取樣并協(xié)調(diào)生產(chǎn)，導(dǎo)管在焊接后同樣存在一定程度的變形，因此裝配變形不可避免。在實(shí)際裝配過程中，需測量波紋管的裝配變形。在模型中，對導(dǎo)管安裝偏差取值為扭轉(zhuǎn)3°。

2.2 貯箱變形導(dǎo)致的導(dǎo)管變形

箭體在氣密檢查階段、加注階段、飛行階段中存在結(jié)構(gòu)和管路變形。結(jié)構(gòu)貯箱排氣閥門的排氣口變形和安全閥門的排氣口變形最有可能發(fā)生在氣密檢查階段，具體變形量詳見表1。

表1 貯箱排氣閥門和安全閥門排氣口的變形量Tab.1 Outlet distortion of tank exhaust valve and safety valve

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，貯箱在氣密壓力為0.42MPa的條件下，下氧箱前底排氣閥安裝位置的軸向位移為7.64mm，徑向位移為6.01mm。將除波紋管之外的所有零件均視為剛性零件，貯箱變形將導(dǎo)致波紋管波長由37.3mm變?yōu)?3.28mm，波紋管拉伸量為5.98mm。

2.3 氣流沖刷對排氣管的影響

排氣閥門或安全閥門在放氣時(shí)，氣流在管路中的流動(dòng)狀況比較復(fù)雜，可能有湍流產(chǎn)生。波紋管在迎流的第1個(gè)波處可能會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，形成局部較大的氣動(dòng)載荷。

3 在裝配變形和貯箱變形綜合影響下補(bǔ)償器的強(qiáng)度計(jì)算[3]

3.1 管路安裝變形影響的仿真分析

考慮管路扭轉(zhuǎn)的安裝偏差為3°，此時(shí)波紋管的最大應(yīng)力為505MPa，應(yīng)變?yōu)?1220με，如圖3所示。

圖3 氧排氣管施加裝配變形后的受力變形圖Fig.3 Mechanical deformation diagram after the assembly deformation

3.2 貯箱變形影響的仿真分析

貯箱在充壓后，變形排氣閥門端的軸向?yàn)?.64mm，徑向?yàn)?.01mm，安全閥門端的軸向?yàn)?0.91mm，徑向?yàn)?.32mm。此時(shí)，波紋管的最大應(yīng)力為482MPa，應(yīng)變?yōu)?5650με，如圖4所示。

圖4 氧排氣管施加貯箱變形后的受力變形圖Fig.4 Mechanical deformation diagram after tank deformation

3.3 裝配變形與貯箱變形聯(lián)合影響的仿真分析

考慮管路扭轉(zhuǎn)為3°的安裝偏差和貯箱在充壓后變形排氣閥端的軸向?yàn)?.64mm、徑向?yàn)?.01mm，安全閥端的軸向?yàn)?0.91mm、徑向?yàn)?.32mm。此時(shí)，波紋管的最大應(yīng)力為471.1MPa，應(yīng)變?yōu)?7460με，材料已進(jìn)入屈服(200MPa)狀態(tài)，應(yīng)力圖如圖5所示，小于其許用破壞應(yīng)力(665～680MPa)。

圖5 氧排氣管施加裝配變形和貯箱變形后的受力變形圖Fig.5 Mechanical deformation diagram after the assembly deformation and tank deformation

3.4 氣流沖刷影響的仿真分析

采用順序弱耦合分析方法，分析氣動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)安全閥端放氣時(shí)，管路在三通處的流動(dòng)比較復(fù)雜，有湍流產(chǎn)生。波紋管在迎流的第2個(gè)波處產(chǎn)生較大壓力，相鄰的波壓力較小，形成了局部較大的氣動(dòng)載荷。另一方面，在波峰處也有局部湍流產(chǎn)生，如圖6、圖7所示。當(dāng)排氣閥端放氣時(shí)，除波紋管在波峰處產(chǎn)生局部湍流，管路流體的流動(dòng)總體比較順暢。波紋管在迎流的第2個(gè)波處產(chǎn)生較大壓力，相鄰的波壓力較小，形成局部較大的氣動(dòng)載荷，如圖6、圖7所示。

圖6 管路剖面的壓力云圖Fig.6 Pressure cloud map of pipeline profile

圖7 管路速度跡線圖Fig.7 Diagram of line speed track

采用雙向流固耦合動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行分析，分析的結(jié)果表明：管路穩(wěn)定響應(yīng)狀態(tài)呈現(xiàn)出了周期性的變化規(guī)律。當(dāng)安全閥端放氣時(shí)，波紋管結(jié)構(gòu)在0.1s左右受到的沖擊作用明顯，最大應(yīng)力約為575MPa，折合應(yīng)變?yōu)?875με，如圖8所示。

圖8 安全閥端放氣出口處波紋管的最大等效應(yīng)力曲線Fig.8 Maximum equivalent stress curve of bellows at the vent of safety valve end

3.5 綜合影響分析

通過對貯箱變形及安裝變形影響的仿真分析，以及對氣流沖刷影響的仿真分析，可知氧排氣管在安裝變形和貯箱變形的條件下，波紋管上的最大應(yīng)力為471.1MPa，材料已進(jìn)入屈服(200MPa)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)安全閥端放氣時(shí)，管路在三通處的流動(dòng)比較復(fù)雜，有湍流產(chǎn)生。波紋管在迎流的第2個(gè)波處產(chǎn)生較大的壓力，相鄰的波壓力較小，形成局部較大的氣動(dòng)載荷。波紋管結(jié)構(gòu)在0.1s左右受到的沖擊作用明顯，最大應(yīng)力約為575MPa。管路經(jīng)受多次放氣沖刷，產(chǎn)生氣流沖擊和誘導(dǎo)振動(dòng)，氣體會(huì)激發(fā)聲學(xué)共振，聲振載荷增加了波紋管系統(tǒng)的自由度。波紋管聲學(xué)共振和壓力脈動(dòng)相互耦合，產(chǎn)生了較大的交變載荷，波紋管的薄弱位置易產(chǎn)生疲勞和發(fā)生破裂。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了測試排氣管在極限變形情況下、大流量排氣時(shí)的管路動(dòng)態(tài)響應(yīng), 開展了氧排氣管沖刷試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)工況

在安裝排氣管時(shí)，需利用推力位移試驗(yàn)工況模擬貯箱變形和預(yù)定扭轉(zhuǎn)安裝位移，如圖9所示。將氧排氣口(圖中A處)固定，在氧排氣閥安裝位置處(圖中B處)和氧安全閥安裝位置處(圖中C處)施加軸向和徑向位移，強(qiáng)迫安裝采用扭轉(zhuǎn)氧排氣口(圖中A處)進(jìn)行模擬。

圖9 試驗(yàn)狀態(tài)示意圖Fig.9 Schematic diagram of testing status

先進(jìn)行排氣閥門放氣沖刷試驗(yàn)。排氣管利用推力位移試驗(yàn)工裝模擬貯箱變形量以完成安裝，通過地面軟管將貯箱排氣法蘭連接到排氣管上排氣閥。將安全閥端用堵蓋堵住，則貯箱可增壓至0.39MPa。打開管路端排氣閥，放氣2min，在放氣過程中監(jiān)測排氣管內(nèi)的壓力和波紋管附近的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在試驗(yàn)結(jié)束后檢查排氣管波紋管狀態(tài)，并重復(fù)試驗(yàn)20次，然后將地面軟管和安全閥門連接至安全閥端。將排氣閥門端用堵蓋堵住，貯箱增壓至安全閥門打開壓力(0.42MPa)，打開管路排氣閥放氣1min，在放氣過程中監(jiān)測試驗(yàn)排氣管內(nèi)的壓力和波紋管附近的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在試驗(yàn)結(jié)束后檢查排氣管波紋管的狀態(tài)，重復(fù)試驗(yàn)15次。整體試驗(yàn)工況狀態(tài)見表2。

4.2 測試參數(shù)

由于波紋管谷內(nèi)位置狹小，在試驗(yàn)過程中無法測量應(yīng)變，因此在試驗(yàn)過程中僅測量管路上的響應(yīng)，響應(yīng)測點(diǎn)位置見圖10和表3，將各工況放氣過程重復(fù)測試3次。

表2 試驗(yàn)工況狀態(tài)表Tab.2 Testing condition Table

圖10 加速度測量示意圖Fig.10 Diagram of acceleration measurement

序號(hào)參數(shù)名稱參數(shù)代號(hào)頻率范圍/Hz最大復(fù)合加速度/g測量方向環(huán)境溫度/K1波紋管下端面(出氣口)1～32～5000100X、Y、Z(3向)223～3332波紋管上端面(進(jìn)氣口)4～62～5000100X、Y、Z(3向)223～333

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

在經(jīng)過地面模擬安裝變形(扭轉(zhuǎn)3°)和貯箱打壓變形(排氣閥端軸向?yàn)?.64mm，徑向?yàn)?.01mm，安全閥端軸向?yàn)?0.91mm，徑向?yàn)?.32mm)條件下的3次沖刷(貯箱放氣壓力為0.42～0.33MPa，放氣時(shí)間為30s，排氣管內(nèi)壓力為0.055～0.035MPa)試驗(yàn)時(shí)，加速度測點(diǎn)4(出氣口處)的響應(yīng)最大，將其處理為均方根值47g，在第2個(gè)波的波谷上有約15～20mm的裂紋。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。如圖11、圖12所示。

圖11 氧排氣管沖刷試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.11 Photo of oxygen exhaust scour testing

圖12 開裂位置形貌Fig.12 Morphology of crack location

5 結(jié) 論

地面試驗(yàn)和有限元仿真分析顯示，在極限變形情況下，波紋管已進(jìn)入屈服狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，管路經(jīng)多次放氣沖刷，產(chǎn)生氣流沖擊和誘導(dǎo)振動(dòng)，波紋管經(jīng)受交變載荷，產(chǎn)生疲勞，發(fā)生破裂。因此，在進(jìn)行排氣管設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮安裝偏差、貯箱變形及氣流沖刷等因素的綜合影響。

針對排氣管的設(shè)計(jì)改進(jìn)，可以從降低安裝偏差及增加波紋管補(bǔ)償量兩方面進(jìn)行考慮。例如，可以考慮為此導(dǎo)管增加1個(gè)分?jǐn)嗝?，協(xié)調(diào)及安裝環(huán)節(jié)則可以有明顯改善；另外，可以考慮更換補(bǔ)償量更大的補(bǔ)償器。排氣管中波紋管受力變形的規(guī)律，不僅為在火箭飛行過程中排氣管受力的后續(xù)分析提供了技術(shù)支撐，同時(shí)新運(yùn)載型號(hào)在其后續(xù)研制過程中也可借鑒此規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。