低溫貯箱被動在軌非連接支撐結構力熱特性仿真分析

鄭正路，高子涵，吳勝寶，吳 瓊，陳 龍

(1. 中國運載火箭技術研究院研究發展部，北京100076；2. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京100191)

1 引言

低溫推進劑具有比沖高、無毒、無污染的特性，對于大規模的空間任務采用低溫推進劑，尤其是液氫/液氧推進劑能夠顯著降低飛行器的系統規模。 月球探測、火星探測等深空探測任務需要低溫上面級在軌工作數小時到數天時間，其結構的漏熱問題需要得到足夠的重視[1-2]。 其中低溫貯箱附屬機械構件中支撐結構的漏熱量占總漏熱量的主要部分。 因此，支撐結構的力、熱性能將對低溫貯箱的正常使用起到重要的影響[3]。

針對低溫貯箱支撐結構的漏熱問題，NASA的研究人員率先提出了新型被動在軌非連接支撐結構(Passive Orbital Disconnect Strut，PODS)[4-6]。其原理是當載荷較大時，熱量通過銷和桿傳遞；而載荷變小時，銷不再接觸桿，熱量僅通過桿傳遞，通過改變傳熱路徑大大減少了貯箱的漏熱量。 這種結構對于長期在軌低溫上面級貯箱連接支撐結構(發射時承受較大載荷、在軌時基本不受載荷或載荷很小)非常適用。 近年來國內學者針對PODS 結構也開展了大量的研究，包括結構優化設計[7]、熱傳導分析[7]、熱-結構耦合分析[8]、隨機振動分析[9]、材料優化選擇[10-11]等。 以上研究尚未對PODS 在不同載荷條件下帶來的各部件受力情況、模態頻率、剛度變化及熱流傳遞路徑情況開展系統分析。

本文針對PODS 結構不同狀態下的強度、剛度、模態頻率以及熱傳導路徑開展仿真分析，得到PODS 結構在非接觸和接觸狀態下的力、熱特性。

2 PODS 結構方案及材料選擇

2.1 結構組成及基本原理

PODS 主要包括冷端體和熱端體2 部分。 其中冷端體部分主要由在軌管、冷端體、調節襯套、接觸桿、小卡圈、接觸螺母等組成。 冷端體右側錐面、接觸桿兩側錐面和接觸螺母左側的錐面是非接觸的主要組成部分(圖1)，在不同受力狀態下存在不同的接觸狀態，從而改變了傳力路徑，如圖2～圖4 所示。

圖1 PODS 結構組成圖Fig.1 Structure composition of PODS

2.2 材料選擇

對PODS 結構進行簡化處理[10]，各部件選擇材料如下：冷端關節軸承、螺母、接觸桿、接觸螺母、冷端體、大卡圈、小卡圈、調整襯套、長度調節桿、熱端體等為殷鋼；在軌管和發射管的材料為S-玻璃纖維/環氧樹脂。 各材料相關參數如表1所示。

表1 材料主要性能參數Table 1 Main Performance parameters of materials

圖2 非接觸狀態傳力路徑(狀態1）Fig.2 The load-transferred path in disconnect status (status1）

圖3 受拉狀態傳力路徑(狀態2）Fig.3 The load-transferred path in tension status (status2）

圖4 受壓狀態傳力路徑(狀態3）Fig.4 The load-transferred path in compression status (status3）

3 力學特性仿真分析

3.1 強度及剛度仿真分析

對PODS 結構一端固定，一端受軸向力，對該結構在-2000 N ～2000 N(負號為受壓，正號為受拉)下的結構變形情況進行分析，擬合后曲線如圖5 所示。 可以看出，無論是受壓還是受拉狀態，當壓力/拉力小于700 N 時，PODS 結構處于非接觸狀態，整體剛度較小；當壓力/拉力大于700 N 時，PODS 結構處接觸狀態，結構剛度發生明顯增大。

圖5 載荷-2000 N～+2000 N 變化時PODS 位移曲線Fig.5 PODS displacement curve when load is from - 2000 N～+ 2000 N

圖6 為施加小于700 N 的載荷時PODS 結構應變云圖。 當載荷較小時，由于接觸桿與接觸螺母之間有間隙，在軌管彈性模量相對較小，故在軌管變形較大。 在軌管的作用類似于高剛度的彈簧，傳遞桿上的主要載荷。 圖6 可以看出，冷端體、接觸桿和螺母之間沒有傳遞力，力通過在軌管傳遞，并產生了彈性變形。

圖6 載荷小于700 N 時的PODS 結構應變云圖Fig.6 PODS strain nephogram when the load is less than 700 N

分別對PODS 結構施加大于700 N 的受拉和受壓載荷。 當載荷大于700 N 且為受拉狀態時PODS 結構接觸桿右端面與接觸螺母接觸(圖7)；載荷為受壓狀態時，PODS 結構接觸桿左端面與冷端體接觸(圖8)，力的傳遞路徑發生了變化，在接觸狀態下可以看到在軌管的應力分布較為均勻。

圖7 拉力載荷大于700 N 時的PODS 應變云圖Fig.7 PODS stress nephogram when tension load is greater than 700 N

圖8 壓力載荷大于700 N 時的PODS 應變云圖Fig.8 PODS stress nephogram when compression load is greater than 700 N

具體分析PODS 結構在發射狀態(即最大受拉/受壓載荷條件)以及在軌狀態時的受力情況，強度校核結果如表2 所示。 可以看出，在最大拉力/壓力工況下，最大應力應變均發生在發射管，此時最大拉應力為822 MPa，最大壓應力為715 MPa，均小于材料的強度極限。 而當載荷較小，即在軌狀態，最大應力應變均發生在發在軌管。 以上結果進一步驗證了當PODS 結構在接觸狀態下主要由發射管傳遞載荷，在非接觸狀態下主要由在軌管傳遞載荷。

3.2 模態分析

在3.1 節所述的邊界條件下，針對接觸狀態和非接觸狀態進行PODS 結構模態仿真分析，。其前六階模態頻率如表3 所示。 可以看出，一階和二階模態頻率以及三階和四模態頻率基本一致。 在非接觸狀態下，由于PODS 整體結構剛度較小，一階和二階模態頻率較低；在接觸狀態下，PODS 整體結構剛度增大，尤其是前四階模態頻率有明顯提高。

表2 各工況下強度校核結果Table 2 Strength check results under different conditions

圖9 非接觸狀態時PODS 模態振型圖Fig.9 PODS modal shapes in disconnected status

圖10 接觸狀態時PODS 模態振型圖Fig.10 PODS modal shapes in contact status

表3 前六階模態頻率Table 3 The first six order modal frequency

從非接觸和接觸狀態的PODS 結構模態振型圖(圖9、圖10)可以看出，非接觸與接觸狀態的PODS模態振型比較相似，一階振型均為左右擺動。 而三階振型除了左右擺動，中間部分發生了扭動。

4 熱仿真分析

依據2.1 節，PODS 總共分為3 種工作狀態，不同工作狀態下傳熱路徑也會發生改變。 在仿真中只考慮熱傳導形式的熱能變化，暫不考慮對流換熱和輻射形式傳熱。 根據外界環境變化，假設PODS 溫度場邊界條件如下：冷端溫度為2 K，熱端溫度為300 K，環境溫度為273.15 K。

圖11～圖13 為3 種不同工作狀態下的PODS的熱傳導路徑。 可以看出，熱流傳遞路徑與2.1節傳力路徑基本相同，即非接觸狀態主要通過在軌管傳熱，而接觸狀態主要通過發射管傳熱。 通過熱流密度轉換求出非接觸狀態、受拉狀態和受壓狀態的漏熱量分別為0.114 W、0.142 W 和0.143 W，非接觸狀態下的漏熱量較接觸狀態降低約20%。 這是由于在軌工況(狀態1)下支撐結構傳熱路徑要比發射工況(狀態2 和狀態3)下長，其等效熱阻要大。

圖11 非接觸時熱傳導路徑(狀態1）Fig.11 Thermal conduction path in disconnect status(status 1）

圖12 受拉時熱傳導路徑(狀態2）Fig.12 Thermal conduction path in tension status(status 2）

圖13 受壓時熱傳導路徑(狀態3）Fig.13 Thermal conduction path in compression status(status3）

5 結論

1)PODS 結構存在不同的工作狀態，分別為受拉接觸狀態、受壓接觸狀態和非接觸狀態，3 種不同的狀態分別對應著不同的傳力路徑。

2)通過對PODS 進行靜力分析，在非接觸狀態下，在軌管傳遞載荷，且此時結構剛度較低，模態頻率較低。 當載荷增大至700 N 左右時，變為接觸狀態，主要由發射管傳遞載荷，此時結構剛度增大，模態頻率提高。

3)通過熱傳導仿真分析可以看出，PODS 熱傳導路徑與PODS 傳力路徑基本相同，且當PODS處于非接觸狀態時，由于傳熱路徑增長，等效熱阻大，其漏熱量相比接觸狀態時減少20%左右。

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