艙體入水工況參數對沖擊特性的影響分析

李建陽,邢偉,宋世鵬,周宇,虞明根

(1.航天工程大學士官學校,北京102249;2.北京特種工程設計研究院,北京100028)

0 引言

載人飛船返回艙可采用陸上或者海上回收,目前,我國神舟號飛船采用的是降落傘和反推火箭陸上回收方式,而美國的載人飛船主要采用海上回收[1-2]。隨著載人航天工程的發展,在未來的空間應用中要求調高軌道傾角,返回時陸上著陸場的選擇將變得十分困難。隨著我國海軍力量的增強,未來我國返回艙選擇海上回收方式將變為可能[3]。采用海上回收有其固有的優點,首先海洋面積比陸地面積大得多,其次海水是良好的緩沖介質,再者海面相比陸地來說天然危險物和人為危險物明顯減少。

神舟號飛船入水沖擊試驗表明[4],返回艙入水過程中可能會出現高達數十倍重力加速度的沖擊加速度峰值,沖擊載荷受垂直入水速度、入水角度等因素的影響[5]。超過允許范圍的沖擊載荷不僅會損壞艙內設備,而且還可能危及航天員的生命安全,關系到整個載人航天任務的成敗,因此,在新型艙體的設計階段需要對入水沖擊特性進行充分研究。

為了分析和驗證載人飛船返回艙的入水沖擊性能,包括“阿波羅號”“神舟號”、“獵戶座”等在內的返回艙都進行了縮比模型或樣機模型物理實驗[4,6-7]。同時以Von Karman[8]和Hirano等[9]為代表的學者在結構入水沖擊問題解析計算方面也做了一些研究。截至目前,實驗依然是研究入水沖擊問題最主要的手段。然而實驗需要制造樣機、模型,乃至建設專門的場地,成本高、周期長。計算機仿真分析由于其經濟性、靈活性和可重復性,能夠彌補實驗方法的不足,在返回艙入水沖擊問題的研究上也逐漸得到應用[10]。

本文運用ALE算法建立艙體-流體有限元模型,并通過理論計算結果驗證該模型的有效性,通過有限元模擬艙體入水過程,研究幾個艙體入水工況參數對沖擊特性的影響,為結構設計及各項指標和方案的科學論證提供理論依據和技術方法。

1 球底結構入水沖擊理論計算方法

根據Von Karman基于動量守恒建立的入水問題物理模型[8],得出球形大底的艙體入水時的沖擊載荷計算方法。

根據動量守恒原理

式中,m為艙體質量,m′為附加質量,v0為艙體初始速度。

基于Von Karman理論,艙體入水附加質量為入水物體與靜止水面交界的圓盤附加質量的一半,而圓盤的附加質量為

式中,r為艙體觸水面圓半徑,可表示為

式中,R為球底半徑,h為入水深度。

因此,艙體球形大底入水時的附加質量可寫成

引入量綱為1的參數

式中,W為艙體質量。

將以上參數均代入動量守恒等式中,得到

由于δ?1,進行積分可得

也可以求導得出二次導數

式中,n為加速度過載,是g的倍數。

2 艙體-流體有限元建模

2.1 艙體模型

艙體入水時降落傘和艙體共同起作用,稱為降落傘-艙體系統。本文研究的艙體質量不超過5.5t,艙體高度約為4m,底部回轉半徑約2m。為了簡化數值仿真模型,這里僅僅分析艙體在給定速度下入水過程,將艙體簡化為剛體,因此只考慮艙體結構外形,建立艙體三維實體模型,采用4節點殼單元對艙體進行網格劃分,網格尺寸底部最大為230mm,艙體網格數量為1424,艙體有限元模型如圖1所示。

圖1 艙體有限元模型Fig.1 Finite element model of recovery module

2.2 流體有限元模型

對于入水過程中的空氣部分,需要考慮氣動升力對艙體的影響,水的部分需要考慮不同水深時的靜水壓強,準確的材料本構與狀態方程的定義是關鍵。RADIOSS中有可用于模擬三相材料的本構模型,可用來定義固體、液體、氣體和爆炸物等,其允許在一個網格中存在多種物質材料,材料參數的調整可選擇相應的狀態方程來描述壓力與體積的關系。

將流體模型的網格區域劃分為兩部分,上部分為空氣域,下部分為水域。為了模擬無限水域,在流體單元的邊界上定義無反射邊界條件。空氣域尺寸為9m×9m×4.3m,網格數量為737280,水體尺寸為9m×9m×7.5m,網格數量為2359296,都采用solid單元劃分網格。艙體-流體有限元模型如圖2所示。

圖2 艙體-流體有限元模型Fig.2 Finite element model of module＆fluid

2.3 接觸類型選擇

采用專用的流固耦合接觸類型TYPE18進行定義,流體、固體可在空間上重疊,其中艙體需設置為“master”,流體部分設置為“slave”。接觸剛度St的定義非常重要,尤其是網格比較稀疏時,可遵循式(14)的經驗公式。

式中,Gap為推薦按照接觸區域法向方向上的流體網格尺寸的1.5倍,ρ為最重的流體密度,S el為拉格朗日描述處的一個網格的面積,V為所考察的問題速度。

3 艙體入水過程模擬及有限元模型驗證

3.1 艙體入水過程模擬

通過定義艙體與流體域相互之間的接觸,施加邊界條件,為了提高計算效率,在艙體與水面之間設置很小的距離,并且給艙體設置一個入水初速度,艙體入水過程模擬采用顯式有限元方法進行求解。

以某工況為例,艙體質量為5.5t,入水初速度為8m/s,仿真獲得的包括艙體質心位移、速度和垂向沖擊加速度在內的艙體入水沖擊特性曲線如圖3所示。

圖3 艙體入水沖擊特性曲線Fig.3 Impact characteristic curves of water entry

圖4給出了艙體入水過程仿真中的幾個典型時刻水體壓力云圖截圖,其分別對應著:(a)0ms,仿真開始時刻;(b)10ms,艙體接觸水面時刻;(c)27ms,垂直方向加速度最大時刻;(d)70ms,加速度曲線第2個峰值時刻;(e)90ms,加速度曲線第3個峰值時刻;(f)800ms,艙體質心位移最大時刻。

通過仿真計算結果可知,艙體入水最大深度1.4m,出現在入水后800ms時刻,此時艙體質心速度降為0,艙體由于自身浮力開始向上運動;艙體質心垂直方向沖擊加速度峰值為16.9g,出現在27ms時刻,第2個峰值6.2g,出現在70ms左右。

圖4 幾個典型時刻水體壓力云圖Fig.4 Pressure contour of water at typical moments

3.2 艙體-流體有限元模型驗證

采用有限元和理論計算方法進行了入水初速度分別為6m/s、8m/s和10m/s的入水過程模擬,其中艙體質量為5.5t、入水角度為0°。兩種方法得出的沖擊加速度峰值如表1所示。

表1 有限元模擬與理論計算結果對比Tab.1 Comparison of finite element simulation results and theoretical calculating results

從表1可以看出,3個工況的計算結果對比誤差最大不大于21%,在可接受范圍內,說明所建立的艙體-流體有限元模型計算結果具有一定的可信度。其中理論計算結果要小于有限元模擬結果,這是由于Von Karman法沒有考慮液面隆起現象,促使沾濕面比實際情況小,故計算得出的沖擊加速度偏小。

4 艙體入水工況參數對沖擊特性的影響

在實現艙體入水動態仿真的基礎上對影響艙體入水沖擊的因素進行分析和比較。本文選取艙體的入水沖擊加速度值作為分析和比較的目標值。首先,最大沖擊加速度點是艙體入水過程中工況最為苛刻的,比較具有代表性;其次,相對于沖擊壓力等,有限元的建模計算對加速度的模擬更為真實準確。

關于可能影響艙體入水沖擊的影響因素,根據試驗以及研究的經驗,大致有3個影響因素,包括垂直速度、水平速度,以及入水角度。其中水平速度是由艙體落點區域的風速決定的,其余2個因素均是人為可以控制的。因此,本文對垂直速度和入水角度對沖擊特性的影響進行研究。

4.1 垂直速度對沖擊響應特性的影響

對于垂直速度,選取6m/s、8m/s、10m/s 3種工況,艙體以入水角度為0°、質量為5.5t進行模擬,得到的沖擊特性曲線如圖5所示。

圖5 不同入水速度艙體入水沖擊特性曲線對比Fig.5 Comparison of the impact characteristic curve in different water entry velocities

艙體垂直速度6m/s時沖擊加速度峰值為9.4g,8m/s時沖擊加速度峰值為16.9g,10m/s時沖擊加速度峰值為24.2g。最大入水深度6m/s時為1.2m,8m/s時為1.4m,10m/s時為1.5m。由此可見,隨著垂直速度的增大,沖擊加速度峰值明顯增大,最大入水深度也變大,艙體速度降為0即達到最大入水深度的時刻隨著垂直速度的變大而略微提前。

4.2 入水角度對沖擊響應特性的影響

艙體在入水前的姿態不同,會對艙體入水過程產生不同的影響。選取4種不同的艙體入水角度:0°(大端入水)、20°、40°、60°,入水姿態如圖6所示。

通過上述不同入水角度模擬,考察其對艙體入水沖擊特性的影響。圖7給出了不同入水角度艙體入水沖擊特性對比。

從圖7中的對比結果可以看出,由于艙體在初始沖擊時速度最大,沖擊入水的深度也最大,后期艙體浮動的幅值會逐漸減小。入水角度為0°、20°、40°和60°時,艙體的最大入水深度分別為1.4m、1.6m、2.1m、2.9m。隨著入水角度的增大,艙體的入水深度也越大。艙體的入水角度越大,水更容易沿著艙體表面發生飛濺,艙體在入水過程中受到的水的阻力就會減小,入水深度也就越大。

圖6 艙體不同入水角度示意圖Fig.6 Schematic diagrams of different water entry angles

圖7 不同入水角度艙體入水沖擊特性曲線對比Fig.7 Contrast of the impact characteristic curve in different water entry angles

由于剛入水時艙體受到的沖擊力會比較大,速度減小幅度較大,隨后艙體遭受的沖擊力逐漸減小,速度較小的趨勢漸緩,當減到0m/s時達到最大入水深度,然后上浮,隨后速度在0m/s附近上下浮動,幅值逐漸減小。不同入水角度對艙體質心速度的影響主要是入水的初始階段,角度越小,速度減小得越迅速。

當艙體接觸水面后,加速度會迅速增大,達到峰值后就逐漸減小。入水角度為0°、20°、40°和60°時,艙體垂向沖擊加速度峰值分別為16.9g、12.0g、4.8g和1.8g。這是由于艙體入水角度越大,水更容易沿著艙體表面發生飛濺,艙體受到水的阻礙越小,沖擊加速度峰值也就越小。

5 結論

基于ALE方法建立艙體-流體有限元模型,通過理論計算方法驗證該模型的有效性,最后通過對比研究不同垂直速度和入水角度對沖擊特性的影響。結果表明,艙體垂直速度與沖擊加速度峰值、最大入水深度成正比;艙體以一定角度入水時,在入水初期,加速度會迅速增大到最大值,隨后逐漸減小,速度在此過程中會迅速減小,角度也有明顯的變化。本文的研究可以為新型艙體結構設計及各項指標和方案的科學論證提供理論依據和技術方法,為物理試驗提供指導,縮短開發周期。