低溫貯箱連接支撐結構優化設計

莊方方,吳勝寶,閆指江,董曉琳,張展智

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心,北京100076)

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低溫貯箱連接支撐結構優化設計

莊方方,吳勝寶,閆指江,董曉琳,張展智

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心,北京100076)

摘要：低溫貯箱間的連接支撐結構是導致貯箱漏熱的主要原因之一。采用低熱導率的材料、減小結構與貯箱連接部位的接觸面積可以減少低溫貯箱間的漏熱。對低溫貯箱連接支撐結構設計進行了初步研究，分別設計了V型和X型桿系連接支撐結構，給出了結構設計的基本參數，并對每種構型的強度、連接結構的熱流量和失穩情況進行了分析；在相同質量的情況下，對殼段連接支撐結構也進行了分析，對比了桿系和殼段兩種結構形式的總熱流量，指出：桿系結構的總熱流量更低，桿系連接支撐結構形式更優。

關鍵詞：低溫貯箱；連接支撐結構；優化；強度；熱流量

1 引言

低溫推進劑具有比沖高、無毒無污染的特性,采用低溫推進劑可以有效降低飛行器規模,在一次性使用運載器和可重復使用運載器上得到了廣泛應用［1］。然而由于液氫、液氧的沸點很低(分別為-253℃和-183℃),易于蒸發且二者沸點不同,當低溫推進劑長期在軌貯存時,在氧箱、氫箱與其他部件以及貯箱之間存在持續的傳熱,導致箱內氫氧溫度上升,蒸發量加大,難以滿足航天器長期在軌要求［2-3］。

隨著航天運載技術的不斷發展,低溫貯箱的連接支撐結構作為低溫貯箱設計中的關鍵部分,其相關研究也成為一個值得關注的領域。美國NASA的研究人員在不斷的探索中發現,雖然通過支撐結構的漏熱量只有十分之幾瓦,但對其研究仍具有重要意義,因為在深空探測器上20 K低溫制冷機的卡諾循環和機械效率都很低,分別為10%和2%,也就是說消耗50 W的電功率只移除0.1 W的熱量。顯然降低低溫貯箱的漏熱量對于低溫貯箱推進劑貯存具有很重要的意義［2-4］。

低溫貯箱連接支撐結構由于要承受飛行階段和在軌貯存時各種載荷作用,所以作為支撐結構的構件必須具有高強度,同時為滿足漏熱的要求,其熱導率還要低。因此,需要對低溫貯箱連接支撐結構進行合理的設計以滿足強度和傳熱等要求。

常溫貯箱連接支撐結構由于沒有低熱導率要求,一般采用鋁合金材料,而低溫貯箱連接支撐結構多采用低熱導率的纖維復合材料,纖維復合材料具有良好的可設計性,因此性能優勢十分明顯。根據有關文獻可知,纖維復合材料低溫下的力學性能均比常溫時有明顯提高,材料熱導率也隨著溫度的降低而減小,是適用于低溫應用的工程結構材料［5］。因此,本文在調研多種纖維復合材料的基礎上,采用碳纖維復合材料對低溫貯箱連接支撐結構進行了優化設計。

2 低溫貯箱連接支撐結構設計

箱間段是連接氧化劑箱和燃料箱的主要承力結構,由于低溫液氫箱和液氧箱之間存在溫度差,貯箱連接支撐結構長期在軌時會向溫度更低的液氫貯箱持續傳遞熱量。為了減少通過貯箱連接支撐結構的導熱,通常采用熱導率低的材料及減小構件的橫截面積等方法減少機械構件的漏熱。經調研國外貯箱連接結構設計形式多采用桿系或桁架式結構,如德爾塔IV、H-2A、DM3上面級和Titan探測器等［6］。為滿足低溫貯箱連接支撐結構總漏熱量低、強度高的要求,本章對某運載火箭貯箱連接支撐結構進行了結構設計,設計了復合材料桿系結構和殼段結構,并根據計算結果對低溫貯箱連接支撐結構進行了優化。

2.1 桿系結構

2.1.1 桿系結構設計

為達到降低貯箱連接支撐結構漏熱量的目的,本文采用管狀桿系連接支撐結構,考慮V型和X型兩種結構形式,如圖1所示。對每種結構形式,分別設計了V型10桿、V型20桿、X型16桿和X型24桿結構,并比較了各結構熱流量值。

圖1 貯箱連接支撐結構形式示意圖Fig.1 Connection strut of tanks

根據貯箱連接支撐結構承載情況,采用Nastran軟件建立有限元模型［7］,分別對連接支撐結構進行軸向拉伸、軸向壓縮強度分析和屈曲分析。結構形式及計算結果如表1所示。由仿真結果可知,在保證結構不失穩,且屈曲因子相同的條件下,四種桿系結構形式均滿足結構強度要求(拉伸強度為700 MPa,壓縮強度400 MPa)。

表1 桿系結構形式及計算結果Table 1 Connection structure of bar type and the calculation results

2.1.2 熱流量計算

根據傅立葉定律,單位時間內通過桿系的導熱量與桿系兩端的溫度變化率及桿系面積成正比,設λ-為熱導率,A為單根管狀桿截面積,桿系由n根管狀桿組成,R1為管狀桿外半徑,R2為管狀桿內半徑,桿長為l,桿系兩端溫度變化率為Δt,則通過桿系的總熱流量可用式(1)表示［8］：

通過公式(1)可知：當各設計桿系結構的材料熱導率和桿系兩端溫度變化率均相同時,桿系的總熱流量只有桿系截面積和桿長有關。

通過以上計算可知,無論是V型還是X型設計方案均滿足強度和穩定性要求。表2給出了以上各結構形式設計參數、體積及熱流量。

表2 各結構形式設計參數、體積及熱流量Table 2 Design parameters，volume and heat flux of each structure

由表2可知,在給定材料的情況下,以上四種設計方案中,V型20桿結構的桿系總體積最小,在相同材料密度條件下,總質量最輕、總熱流量最小,是四種方案中的最優方案。

2.2 殼段結構

2.2.1 殼段結構設計

為比較桿系結構與殼段結構強度與總熱流量,以殼段體積與V型20根桿的總體積相等為約束條件,對殼段連接支撐結構進行強度和穩定性分析。經計算,等體積條件下,殼段厚度δ＝0．0008 m。設計殼段連接支撐結構如圖2所示。

圖2 殼段連接支撐結構Fig.2 Connection strut of shell type

分別對殼段連接支撐結構進行軸向拉伸、軸向壓縮強度分析和屈曲分析。在受壓情況下,結構的應力云圖如圖3所示。最大von Mises應力為149 MPa,小于壓縮強度。在該載荷作用下,計算求得屈曲因子為2.5,該結構也不會發生失穩。在受拉情況下,結構的應力云圖如圖4所示,最大von Mises應力為276 MPa,小于拉伸強度。

2.2.2 熱流量計算

根據傅立葉定律,單位時間內通過殼段的導熱熱量與殼段兩端的溫度變化率及殼段橫截面面積成正比,設λ-為熱導率在t1～t2范圍內的積分平均值,A為殼段的截面積,殼段兩端溫度變化率為Δt,則通過殼段的總熱流量可用式(2)表示：

圖3 受壓情況下應力云圖Fig.3 Press stress

圖4 受拉情況下應力云圖Fig.4 Pull stress

經推導,殼段橫截面面積可以表示為x(殼段母線上點的位置)的函數,即式(3)：

其中殼段底角α為常數,如圖5所示。

圖5 殼段底角Fig.5 Bottom angle of shell type

3 結果對比分析

通過以上計算可知,無論是V型20桿桿系結構還是殼段連接結構均滿足強度和穩定性要求。假定桿系結構和殼段結構使用同樣的材料(密度相同),以兩種設計方案設計的結構質量相等為約束條件,計算結果表明V型20桿結構的熱流量較殼段連接結構低,在滿足強度和穩定性的前提條件下,桿系結構設計方案較優。

4 結論

本文對低溫貯箱連接支撐結構進行了桿系結構和殼段結構設計,并比較了不同結構強度及熱流量,得出在桿系結構與殼段結構等質量的條件下,桿系結構較優的結論。在桿系結構中,在承受相同載荷的條件下,V型20桿結構總質量和總熱流量最小,滿足結構輕、強度大、熱流量低的要求,結構形式最優。

參考文獻（References）

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Optimization Design of Cryogenic Tank Connection Structure

ZHUANG Fangfang，WU Shengbao，YAN Zhijiang，DONG Xiaolin，ZHANG Zhanzhi
（China Academy of Launch Vehicle Technology Research＆Development Center，Beijing 100076，China）

Abstract：Connection structure between cryogenic tanks is one of the main reasons for the heat leak of tanks.Adopting low thermal conductivity material，decreasing connection area between the connection structure and the tank can reduce the heat leak between cryogenic tanks.Preliminary research on the design of cryogenic tank connection structure was given in the paper.The connection structure of V and X types was designed separately and the basic parameters of the structure design were obtained.The intensity of each type，the heat flux of the connection structure and the buckling factor were calculated and analyzed.With the same mass，the connection structure of shell type was also analyzed.Then the total heat flux of bar type and shell type were compared.The results showed that the total heat flux of bar type was lower.Therefore，the connection structure of bar type was better.

Key words：cryogenic tank；connection structure；optimization；intensity；total heat flux

作者簡介：莊方方(1983-),女,博士,工程師,研究方向為航天運輸系統載荷設計。E-mail：fonfonzh＠163.com

基金項目：載人航天預先研究項目(060301)

收稿日期：2015-05-17；修回日期：2016-02-15

中圖分類號：V511＋.6；TU318

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0160-04