劉立東，范瑞祥，程堂明，張 然，郭金剛

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

火箭豎立在發(fā)射臺(tái)上進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)和檢查時(shí)，常常數(shù)小時(shí)暴露于地面風(fēng)中。此時(shí)，作為隨機(jī)變量的地面風(fēng)成為作用于火箭結(jié)構(gòu)上的主要干擾[1,2]，地面風(fēng)是指高度在150 m以內(nèi)的大氣風(fēng)，其特點(diǎn)是空間和時(shí)間上速度和方向都迅速變化，這種風(fēng)載荷通常是火箭尾部結(jié)構(gòu)和發(fā)射臺(tái)的重要輸入?yún)?shù)。當(dāng)火箭豎立在發(fā)射平臺(tái)上時(shí)，會(huì)引起箭體結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)，造成底部彎曲應(yīng)力[3]，甚至引起結(jié)構(gòu)破壞或發(fā)射失敗。國(guó)外不少型號(hào)，如美國(guó)的先鋒、土星等火箭地面風(fēng)載荷都較為嚴(yán)重，其中雷神全尺寸試驗(yàn)期間，當(dāng)?shù)孛骘L(fēng)速達(dá)到27 m/s時(shí)，發(fā)射臺(tái)上的箭體遭到傾倒破壞[4]。因此，部分運(yùn)載火箭在發(fā)射臺(tái)上設(shè)置專用的防風(fēng)減載裝置，避免地面風(fēng)載荷引起的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性問(wèn)題。

由于中國(guó)之前發(fā)射場(chǎng)均處于內(nèi)陸，火箭的地面風(fēng)速設(shè)計(jì)條件一般為平均風(fēng)速10～13 m/s。而海南文昌發(fā)射場(chǎng)為沿海發(fā)射場(chǎng)，其地面風(fēng)場(chǎng)特性與內(nèi)陸其他發(fā)射場(chǎng)相比差異較大，本文通過(guò)海南文昌發(fā)射場(chǎng)地面風(fēng)研究分析，結(jié)合某火箭型號(hào)特點(diǎn)，提出適合中國(guó)“新三垂”轉(zhuǎn)場(chǎng)模式火箭的防風(fēng)減載裝置設(shè)計(jì)方案，并給出減載實(shí)施效果。

1 國(guó)外火箭防風(fēng)減載情況

1.1 土星V火箭

土星V火箭設(shè)計(jì)中在發(fā)射塔和火箭之間設(shè)計(jì)了一種防風(fēng)減載結(jié)構(gòu)，將地面風(fēng)帶來(lái)的彎矩效果減至最小，土星V火箭的防風(fēng)減載器設(shè)置在逃逸塔和發(fā)射塔之間，整體承載結(jié)構(gòu)類似一種框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 土星V火箭防風(fēng)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(shè)置了防風(fēng)減載結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

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

1.3 戰(zhàn)神I火箭

戰(zhàn)神I火箭盡管目前已經(jīng)終止了研制，在其研制方案中，同樣也有解決地面風(fēng)帶來(lái)載荷影響的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。

圖3 戰(zhàn)神I火箭防風(fēng)減載裝置示意Fig.3 Arex I Wind Damper

國(guó)外在20世紀(jì)60年代就開(kāi)展了地面風(fēng)對(duì)火箭影響的研究，而且這種研究一直持續(xù)至今，地面防風(fēng)減載裝置也一直在不斷完善改進(jìn)，在設(shè)置防風(fēng)減載裝置時(shí)，充分考慮了對(duì)技術(shù)的繼承性和對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的適應(yīng)性。

2 海南文昌發(fā)射場(chǎng)地面風(fēng)載荷

火箭豎立在發(fā)射臺(tái)上，作用在火箭上的風(fēng)載荷及結(jié)構(gòu)截面彎矩示意如圖4所示。

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

工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，地面風(fēng)風(fēng)剖面一般采用Davenport指數(shù)規(guī)律，由于其形式簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用，如加拿大規(guī)范NBC1990[5]。

式中為基準(zhǔn)高度平均風(fēng)速；zb為基準(zhǔn)高度；v(z)為相對(duì)基準(zhǔn)高度z米的地面風(fēng)平均風(fēng)速；k為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，規(guī)范推薦值一般情況如表1所示[6]。

表1 k系數(shù)取值情況Tab.1 Value ofk

海南發(fā)射場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，地面風(fēng)速隨高度增加迅速變大。地面風(fēng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示，擬合后k≈0.35，該特征與內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)明顯不同。因此，淺層風(fēng)剖面規(guī)律不僅與地貌相關(guān)，而且與當(dāng)?shù)氐乩?、氣象環(huán)境密切相關(guān)。

圖5 地面風(fēng)統(tǒng)計(jì)情況Fig.5 Ground Winds in Different Areas

3 海南文昌發(fā)射場(chǎng)地面風(fēng)載荷

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，海南發(fā)射場(chǎng)50 m高度的平均風(fēng)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(shí)火箭研制處于初樣后期，風(fēng)速增加將可能導(dǎo)致火箭尾部結(jié)構(gòu)和發(fā)射臺(tái)的研制出現(xiàn)重大反復(fù)。因此，需要研制和設(shè)計(jì)一種防風(fēng)減載裝置，最大限度降低火箭根部載荷。參照國(guó)際上火箭防風(fēng)減載裝置應(yīng)用情況，盡量不改變現(xiàn)有的火箭結(jié)構(gòu)和地面發(fā)射支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且要求防風(fēng)減載裝置具備較強(qiáng)的可操作性，同時(shí)具備一定的橫向剛度，以滿足減載指標(biāo)要求。

按照方案設(shè)計(jì)原則，主要利用箭上二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)架4個(gè)現(xiàn)有的M20螺紋孔接頭結(jié)構(gòu)，采用合理的拉耳與臍帶塔連接，在臍帶塔和火箭之間設(shè)置防風(fēng)減載機(jī)構(gòu)。

3.1 防風(fēng)減載裝置拓?fù)鋬?yōu)化分析

由于防風(fēng)減載裝置安裝在距離發(fā)射平臺(tái)約30 m的高空，并且跨距長(zhǎng)達(dá)10 m，在保證剛度要求的前提下，需要結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，因此開(kāi)展了以側(cè)向結(jié)構(gòu)剛度最大為目標(biāo)的變密度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，其數(shù)學(xué)模型表述如下：

式中iu為第i個(gè)單元的相對(duì)密度；p為工況總數(shù)；ρ0為單元原始密度；0iV為第i個(gè)單元的體積；0m為所有單元原始密度時(shí)的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。

拓?fù)鋬?yōu)化模型及優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2 防風(fēng)減載裝置剛度設(shè)計(jì)分析

防風(fēng)減載裝置剛度指標(biāo)與火箭根部載荷相關(guān)，將防風(fēng)減載裝置等效為梁模型，建立臍帶塔、防風(fēng)減載裝置及火箭豎立狀態(tài)有限元模型，如圖7所示。為保證火箭載荷在要求值范圍內(nèi)，計(jì)算防風(fēng)減載裝置的橫向剛度指標(biāo)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?fù)鋬?yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)設(shè)計(jì)防風(fēng)減載結(jié)構(gòu)。防風(fēng)減載結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)軸、橫梁、連接接頭、連接環(huán)、轉(zhuǎn)動(dòng)銷接頭、調(diào)節(jié)接頭等構(gòu)成。其中轉(zhuǎn)軸、接頭結(jié)構(gòu)選用鋼材，橫梁及其他結(jié)構(gòu)選用鋁合金。在此基礎(chǔ)上建立了防風(fēng)減載裝置有限元模型，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，可以將整體橫向剛度提升到4×105左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖8 計(jì)算結(jié)果Fig.8 The Resault of Finit Element Model

3.3 防風(fēng)減載實(shí)施效果評(píng)價(jià)

某火箭在合練試驗(yàn)中分別進(jìn)行了不加防風(fēng)減載裝置狀態(tài)和加防風(fēng)減載裝置狀態(tài)的風(fēng)載荷標(biāo)定試驗(yàn)，獲取了箭體典型截面上應(yīng)變值與彎矩的關(guān)系，在特定加載工況下，火箭尾部彎矩試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比情況如表2所示。

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

4 結(jié)論

發(fā)射場(chǎng)地面風(fēng)載荷對(duì)火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的影響，某火箭在設(shè)計(jì)初期采用的內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)地面風(fēng)指標(biāo)并不適應(yīng)沿海發(fā)射場(chǎng)，研制過(guò)程當(dāng)中，詳細(xì)總結(jié)了海南文昌發(fā)射場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和使用條件，結(jié)合型號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并使用了防風(fēng)減載裝置，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明防風(fēng)減載裝置減載效果明顯，達(dá)到了型號(hào)應(yīng)用目的。