推進(jìn)劑貯箱用柱形金屬隔膜設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)研究

范 凱, 晏 飛, 李敬業(yè)

(1.上海空間推進(jìn)研究所, 上海 201112; 2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心, 上海 201112)

1 引言

用于貯存和管理液體推進(jìn)劑的貯箱是飛行器動(dòng)力系統(tǒng)中重要的壓力容器組件,對(duì)系統(tǒng)的可靠性和安全性有重要影響[1]。近些年,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和航空航天的發(fā)展,推進(jìn)劑貯箱技術(shù)也迎來(lái)了全新的發(fā)展時(shí)期。

飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空間有限,布局緊湊,對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求嚴(yán)苛。為了充分利用有限空間、合理布局結(jié)構(gòu)、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量,貯箱的選型和設(shè)計(jì)必須充分考慮飛行器的幾何特征、結(jié)構(gòu)布局和安裝空間等要素。對(duì)于導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭等具有狹長(zhǎng)安裝空間的飛行器而言,幾何外形呈圓柱形的貯箱是其最佳選擇。圓柱形貯箱既有利于飛行器結(jié)構(gòu)布局、提高空間利用率,又能夠降低飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

現(xiàn)有技術(shù)中,飛行器所用圓柱形貯箱的推進(jìn)劑貯存-管理裝置主要包括貯囊、活塞、金屬膜盒和表面張力板網(wǎng)組件。貯囊主要由橡膠、塑料等非金屬材料制成,其工作性能穩(wěn)定、工藝成熟、便于維護(hù)、可重復(fù)使用、排放效率高、成本低,但其致密性和耐蝕性不夠好,壽命較短,僅適用于一些特定推進(jìn)劑的短期、常溫貯存,多用于運(yùn)載火箭的姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)[2]、飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈的燃油貯供系統(tǒng)等。活塞由活塞環(huán)和密封件組成[3],其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、可重復(fù)使用、造價(jià)低,但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、活塞密封困難,現(xiàn)在甚少使用。金屬膜盒由若干件膜片焊接而成,與液體介質(zhì)相容性好、使用壽命較長(zhǎng)、可重復(fù)使用,但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、制造工藝復(fù)雜、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性差、造價(jià)高、結(jié)構(gòu)效率較低,多用于空間實(shí)驗(yàn)室、空間站等大型航天器的姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)[4-5]。表面張力板網(wǎng)組件主要分為篩網(wǎng)和導(dǎo)流板2 類,其結(jié)構(gòu)質(zhì)量小、與液體介質(zhì)相容性好、使用壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用、排放效率高,但其抗液體晃動(dòng)和過(guò)載能力較差、制造工藝復(fù)雜、造價(jià)高、微重力水平要求高,多用于衛(wèi)星、空間站和深空探測(cè)器等航天器的姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)[6-7]。綜上,現(xiàn)有圓柱形貯箱推進(jìn)劑的貯存管理方式存在諸多不足,或是材料不能與液體介質(zhì)長(zhǎng)期相容、致密性差、使用壽命短,或是結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、制造工藝復(fù)雜、造價(jià)高,或是力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性差、抗液體晃動(dòng)和過(guò)載能力低。

作為另一種重要的推進(jìn)劑貯存管理裝置,金屬隔膜可以有效克服上述各類裝置的不足,具有輕質(zhì)、長(zhǎng)壽命、高可靠性、工藝簡(jiǎn)單、相容性好、推進(jìn)劑利用效率高、質(zhì)心穩(wěn)定性好、推進(jìn)劑剩余量可測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的金屬隔膜工作時(shí)需要在其內(nèi)外表面壓差作用下從幾乎與貯箱上半部分內(nèi)型面貼合的上凸形初始狀態(tài)逐漸翻轉(zhuǎn)為與貯箱下半部分內(nèi)型面貼合的下凹形最終狀態(tài)。這一過(guò)程要求隔膜翻轉(zhuǎn)規(guī)則,不發(fā)生失穩(wěn)、褶皺等失效情況。目前主要為半球形[8]、球錐形[9]和橢球形[10]金屬隔膜可滿足上述要求。此外近期有研究人員針對(duì)環(huán)形結(jié)構(gòu)金屬隔膜開(kāi)展研究[11]。

本文提出一種新型柱形隔膜,首先介紹其結(jié)構(gòu)組成和工作原理;然后針對(duì)某一具體貯箱開(kāi)展隔膜型面設(shè)計(jì),并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;最后采用隔膜試驗(yàn)件進(jìn)行隔膜排放驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 隔膜結(jié)構(gòu)及工作原理

柱形金屬隔膜作為推進(jìn)劑貯存-管理裝置,安裝于柱形貯箱內(nèi)部,其外表面與貯箱內(nèi)表面構(gòu)成貯液容腔用于貯存液體推進(jìn)劑。柱形金屬隔膜包括隔膜筒體、通孔接頭和盲孔接頭。其中隔膜筒體由筒身段、上封頭段和下封頭段組成,其內(nèi)表面構(gòu)成貯氣容腔,用于充裝增壓氣體;通孔接頭位于隔膜筒體上極孔處,并與貯氣容腔相連,用于隔膜裝配和充放氣;盲孔接頭位于隔膜筒體下極孔處,用于隔膜裝配。典型的柱形金屬隔膜結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 柱形金屬隔膜結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the cylindrical metal diaphragm

工作時(shí),柱形金屬隔膜在貯氣容腔內(nèi)壓的驅(qū)使下逐漸膨脹變形,將貯液容腔內(nèi)的推進(jìn)劑擠出,具體工作過(guò)程如圖2 所示。圖中狀態(tài)I 為初始狀態(tài),狀態(tài)II 為中間狀態(tài),狀態(tài)III 為最終狀態(tài)。

圖2 柱形金屬隔膜工作原理Fig.2 Working principle of the cylindrical metal diaphragm

3 柱形隔膜型面設(shè)計(jì)

3.1 型面設(shè)計(jì)要求

根據(jù)柱形金屬隔膜的工作特點(diǎn),其型面設(shè)計(jì)要求為:

1)隔膜膨脹變形應(yīng)平順、規(guī)律;

2)隔膜容積占貯箱容積的比例盡可能低;

3)隔膜的推進(jìn)劑排放效率盡可能高;

4)成型工藝性好,易于制造。

3.2 型面設(shè)計(jì)過(guò)程

柱形金屬隔膜的型面設(shè)計(jì)主要針對(duì)參與膨脹變形的隔膜筒體展開(kāi)。隔膜筒體由周向均布的3個(gè)隔膜瓣構(gòu)成,三者的型面保持一致。因此,隔膜瓣型面決定了柱形隔膜筒體型面。

隔膜瓣呈現(xiàn)四周外凸、中心內(nèi)凹的空間幾何型面,其由2 條控制經(jīng)線和3 條控制緯線共同決定,如圖3(a)所示。

圖3 柱形金屬隔膜控制曲線及設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.3 Control curves and design parameters for the cylindrical metal diaphragm

首先,為確保隔膜膨脹變形可靠,通過(guò)在各控制線上設(shè)置彎邊弧和內(nèi)凹弧,促使隔膜瓣優(yōu)先從剛性較大的四周區(qū)域開(kāi)始膨脹變形,并逐步帶動(dòng)中心區(qū)域膨脹變形。各控制線具體構(gòu)成及設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

1)控制經(jīng)線1 由外凸經(jīng)線弧、封頭經(jīng)線弧構(gòu)成,如圖3(b)所示。其設(shè)計(jì)參數(shù)包括外凸經(jīng)線弧半徑R1、封頭經(jīng)線弧半徑R2、經(jīng)線高度H1、外凸經(jīng)線弧中點(diǎn)到隔膜中軸線距離L1和封頭經(jīng)線弧極點(diǎn)到隔膜中軸線距離L2;

2)控制經(jīng)線2 由內(nèi)凹經(jīng)線弧、封頭彎邊經(jīng)線弧和過(guò)渡經(jīng)線弧構(gòu)成,如圖3(c)所示。其設(shè)計(jì)參數(shù)包括內(nèi)凹經(jīng)線弧半徑R3、封頭彎邊經(jīng)線弧半徑R4、過(guò)渡經(jīng)線弧半徑R5、經(jīng)線高度H2、內(nèi)凹經(jīng)線弧到隔膜中軸線距離L3、封頭彎邊經(jīng)線弧極點(diǎn)到隔膜中軸線距離L4和封頭彎邊經(jīng)線弧圓心到隔膜中軸軸距離L5。此外,控制經(jīng)線2 和貯箱中軸線所圍成的面積A1為被動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù),由上述其他設(shè)計(jì)參數(shù)決定;

3)控制緯線1 由內(nèi)凹緯線弧、彎邊緯線弧和過(guò)渡直線段構(gòu)成,如圖3(d)所示。其設(shè)計(jì)參數(shù)包括內(nèi)凹緯線弧半徑r1、彎邊緯線弧半徑r2、彎邊緯線弧圓心到隔膜中軸線距離l1、過(guò)渡直線夾角α。此外,內(nèi)凹緯線弧中點(diǎn)到隔膜中軸線距離l2和控制緯線1 與2 條對(duì)稱軸線所圍成的面積A2為被動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù),由上述其他設(shè)計(jì)參數(shù)決定;

4)控制緯線2 由封頭彎邊緯線弧和過(guò)渡緯線弧構(gòu)成,如圖3(e)所示。其設(shè)計(jì)參數(shù)包括封頭彎邊緯線弧半徑r3、過(guò)渡緯線弧半徑r4和彎邊緯線弧到隔膜中軸線距離l3。此外,過(guò)渡緯線弧中點(diǎn)到隔膜中軸線距離l4和控制緯線2 與2 條對(duì)稱軸線所圍成的面積A3為被動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù),由上述其他設(shè)計(jì)參數(shù)決定;

5)控制緯線3 由極端緯線弧構(gòu)成,如圖3(f)所示。其設(shè)計(jì)參數(shù)為極端緯線弧半徑r5。此外,控制緯線3 與2 條對(duì)稱軸線所圍成的面積A4為被動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù),由上述其他設(shè)計(jì)參數(shù)決定。

上述5 條控制線的各設(shè)計(jì)參數(shù)之間存在一定關(guān)聯(lián),具體如式(1)～(7)所示。

其次,為了降低隔膜容積占比,要求由隔膜內(nèi)表面構(gòu)成的貯氣容腔盡可能小。通過(guò)優(yōu)化控制經(jīng)線2、控制緯線1、控制緯線2 和控制緯線3 的各設(shè)計(jì)參數(shù),使得控制曲線包絡(luò)面積A1、A2、A3和A4盡可能最小。

再次,為了提高隔膜的推進(jìn)劑排放效率,要求各隔膜瓣完成膨脹變形后盡可能與貯箱殼體內(nèi)表面貼合。通過(guò)優(yōu)化各控制曲線的設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)各控制曲線弧長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的最終貼合殼體內(nèi)表面位置弧長(zhǎng)相等,同時(shí)隔膜瓣的初始面積與最終貼合殼體區(qū)域面積相等。

最后,通過(guò)優(yōu)化隔膜控制曲線的設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足隔膜瓣制造工藝的要求。

綜上所述,柱形隔膜瓣型面設(shè)計(jì)步驟為:

1)通過(guò)柱形殼體內(nèi)型面確定控制經(jīng)線1 設(shè)計(jì)參數(shù)R1和R2;

2)通過(guò)隔膜瓣制造工藝決定控制經(jīng)線1 設(shè)計(jì)參數(shù)H1和控制緯線3 的設(shè)計(jì)參數(shù)r5;

3)通過(guò)優(yōu)化其他主動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)R4、l1、r1、α、r2、l3、r3、r4同時(shí)滿足控制曲線包絡(luò)面積、控制曲線弧長(zhǎng)、隔膜瓣初始面積和制造工藝要求。

針對(duì)某特定尺寸的柱形貯箱殼體開(kāi)展柱形隔膜設(shè)計(jì),具體的隔膜瓣型面參數(shù)如表1 所示。

表1 柱形金屬隔膜膜片型面設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters for cylindrical metal diaphragm profile

4 柱形隔膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求

基于第3 節(jié)中得到的柱形隔膜型面,采用有限元模擬方法開(kāi)展隔膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化,滿足如下要求:

1)在變形過(guò)程中無(wú)明顯應(yīng)力集中,不發(fā)生失效破壞;

2)隔膜膨脹變形過(guò)程中壓力盡可能低。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程

考慮到試驗(yàn)驗(yàn)證的有效性和成本,選用通過(guò)增材制造工藝生產(chǎn)的316 L 不銹鋼柱形隔膜為優(yōu)化對(duì)象。近些年,增材制造應(yīng)用于承壓容器的研究眾多[12]。在首件隔膜工藝試驗(yàn)件上取得試片,通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得室溫下316 L 材料的力學(xué)性能如表2 所示,真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4 所示。

表2 室溫下316L 的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property data of 316L at room temperature

圖4 室溫下316L 材料的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-strain curve of 316L material at room temperature

基于ABAQUS 有限元軟件對(duì)參與膨脹變形的隔膜筒體進(jìn)行有限元仿真。為了在保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下提高計(jì)算效率,將隔膜筒體處理為旋轉(zhuǎn)周期對(duì)稱的隔膜瓣模型(1/3 個(gè)隔膜筒體模型),如圖5 所示。該類模型廣泛應(yīng)用于具有旋轉(zhuǎn)周期對(duì)稱特性的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真分析研究中,且被證明結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性[13]。在隔膜瓣兩端極孔處設(shè)置固定約束實(shí)現(xiàn)軸向固定,兩側(cè)豎直對(duì)稱面上設(shè)置周期對(duì)稱約束。此外,在隔膜內(nèi)表面施加均布載荷驅(qū)動(dòng)隔膜膨脹變形。網(wǎng)格類型選擇S4R 殼單元。通過(guò)網(wǎng)格敏感性分析,網(wǎng)格尺寸小于3 mm×3 mm 后仿真結(jié)果基本保持一致。因此,采用2 mm×2 mm 的網(wǎng)格尺寸。隔膜瓣模型共包含6678 個(gè)單元和6478 個(gè)節(jié)點(diǎn)。柱形隔膜的膨脹變形為非線性大變形過(guò)程,采用傳統(tǒng)隔膜翻轉(zhuǎn)變形仿真分析中廣泛采用的Riks 弧長(zhǎng)法[14]模擬不同壁厚分布的柱形金屬隔膜膨脹變形過(guò)程。

圖5 隔膜有限元模型Fig.5 Finite element model of diaphragm

綜合考慮增材制造工藝和材料缺陷容忍度,確定該柱形金屬隔膜最小壁厚為0.5 mm。本文模擬分析了3 種壁厚水平(t=0.5 mm、0.7 mm 和1 mm)的等壁厚隔膜膨脹變形過(guò)程,如圖6 所示。從圖中可以看出,壁厚為0.5 mm 和0.7 mm 的隔膜在膨脹變形過(guò)程中均在中心位置出現(xiàn)了褶皺,同時(shí) 應(yīng) 力 水 平(σmax= 715.1MPa 和σmax=690.3 MPa)均大于316 L 材料的抗拉強(qiáng)度(σb=660 MPa),分別如圖6(a)和6(b)所示;壁厚為1 mm 的隔膜在膨脹變形過(guò)程中未出現(xiàn)皺褶,同時(shí)各區(qū)域應(yīng)力水平(σmax=627.9 MPa)均低于316 L材料的抗拉強(qiáng)度(σb=660 MPa),如圖6(c)所示。上述結(jié)果表明,當(dāng)?shù)缺诤裰胃裟さ谋诤駎較小時(shí),在膨脹變形過(guò)程中中心位置容易產(chǎn)生顯著的徑向失穩(wěn),進(jìn)而出現(xiàn)應(yīng)力集中的褶皺,由此可能造成此位置的泄漏失效;隨著壁厚t的增加,褶皺程度減弱,同時(shí)此位置的最大應(yīng)力σmax降低;當(dāng)壁厚t增加至一定水平后,隔膜在膨脹過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的褶皺,可順利完成變形而不發(fā)生失效。

圖6 不同壁厚隔膜膨脹變形云圖Fig.6 The expansion deformation contours for diaphragm with different thicknesses

壁厚的增加雖可實(shí)現(xiàn)柱形隔膜的可靠膨脹變形,但會(huì)引起變形壓力的大幅增加。采用從四周區(qū)域向中心區(qū)域逐漸增加壁厚的變壁厚方案可在提升隔膜中心位置的抗失穩(wěn)能力的同時(shí)降低隔膜膨脹變形壓力。圖7 為 0.5～0.7 mm 變壁厚隔膜在中心內(nèi)凹點(diǎn)不同徑向位移Lc時(shí)的膨脹變形云圖。同時(shí),得到了隔膜膨脹變形壓力隨中心內(nèi)凹點(diǎn)徑向位移的變化曲線,如圖8 所示。

圖7 不同中心內(nèi)凹點(diǎn)徑向位置時(shí)的隔膜膨脹變形云圖Fig.7 The expansion deformation contours at different inner concave point radial positions for diaphragm with variable thickness

圖8 變壁厚隔膜膨脹變形壓力曲線Fig.8 Expansion deformation pressure curve of diaphragm with variable thickness

從圖中可以看到,當(dāng)Lc=0 mm 時(shí),隔膜保持未膨脹變形的初始形態(tài)(圖7(a)),此時(shí)隔膜膨脹變形壓力為0 MPa(圖8 中的A點(diǎn));當(dāng)Lc=10 mm 時(shí),隔膜的膨脹變形主要集中在壁厚較薄的四周區(qū)域,而壁厚較厚的中心區(qū)域僅產(chǎn)生由四周區(qū)域變形所引起的徑向位移(圖7(b)),此時(shí)隔膜膨脹變形壓力也從0 MPa 升高至0.29 MPa(圖8 中的B點(diǎn));當(dāng)Lc=16 mm 時(shí),隔膜的膨脹變形區(qū)域由四周區(qū)域向中心區(qū)域擴(kuò)大,同時(shí),隔膜中心處發(fā)生了微弱的徑向失穩(wěn)(圖7(c)),此時(shí)隔膜膨脹變形壓力達(dá)到最大值0.32 MPa 并開(kāi)始降低(圖8 中的C點(diǎn));當(dāng)Lc=25 mm 時(shí),隔膜中心失穩(wěn)區(qū)域快速發(fā)生膨脹變形,并向四周區(qū)域擴(kuò)展(圖7(d)),此時(shí)隔膜膨脹變形壓力降低至0.2 MPa(圖8 中的D點(diǎn));當(dāng)Lc=30 mm 時(shí),隔膜完成整個(gè)膨脹變形(圖7(e)),此時(shí)隔膜膨脹變形壓力也快速升至0.4 MPa(圖8 中的E點(diǎn))。

同時(shí),從圖7 中可以看出,變壁厚隔膜在整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中未出現(xiàn)褶皺,同時(shí)各區(qū)域應(yīng)力均小于316 L 材料的抗拉強(qiáng)度。這表明,變壁厚隔膜可以順利完成膨脹變形而不發(fā)生失效。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于第3 節(jié)和第4 節(jié)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的柱形隔膜結(jié)構(gòu)(四周區(qū)域向中心區(qū)域由0.5 mm 壁厚增加至0.7 mm 壁厚),生產(chǎn)了柱形隔膜試驗(yàn)件,如圖9 所示。具體過(guò)程為:首先采用增材制造工藝生產(chǎn)隔膜筒體、通孔接頭和盲孔接頭零件,再采用激光焊接方式連接上述3 個(gè)零件,最后在兩端接頭上機(jī)加用于試驗(yàn)裝配的螺紋。試驗(yàn)件總高度為356 mm,赤道處半徑為60 mm,貯氣容腔容積為0.615 L。

圖9 柱形金屬隔膜試驗(yàn)件Fig.9 Cylindrical metal diaphragm specimen

根據(jù)圖10(a)搭建隔膜排放試驗(yàn)系統(tǒng)。這里需要注意的是,為了方便觀察柱形金屬隔膜的膨脹變形過(guò)程,本試驗(yàn)采用由隔膜試驗(yàn)件和裝配工裝組成的隔膜排放模擬組件替代貯箱狀態(tài)。在隔膜排放模擬組件中,隔膜試驗(yàn)件通過(guò)螺紋與2 個(gè)壓板連接,同時(shí)通過(guò)若干螺桿和螺母將壓板固定,實(shí)現(xiàn)隔膜膨脹變形過(guò)程中的軸向約束,如圖10(b)所示。考慮到試驗(yàn)安全性,試驗(yàn)采用水壓進(jìn)行。具體采用試驗(yàn)介質(zhì)(潔凈水)將隔膜貯氣容腔和與轉(zhuǎn)注罐連接的增壓管路填充滿,通過(guò)配氣臺(tái)增壓將轉(zhuǎn)注罐內(nèi)的試驗(yàn)介質(zhì)擠入至隔膜試驗(yàn)件貯氣容腔內(nèi)促使其發(fā)生膨脹變形。同時(shí),通過(guò)壓力數(shù)顯表和重量數(shù)顯表可以實(shí)時(shí)記錄壓力和加注量變化,等效為貯箱狀態(tài)的排放壓力和排放量變化。

圖10 隔膜排放試驗(yàn)Fig.10 Diaphragm expulsion experiment

試驗(yàn)開(kāi)始后,隨著壓力增加,隔膜試驗(yàn)件的3個(gè)隔膜瓣依次從四周外凸區(qū)開(kāi)始膨脹變形,并逐漸擴(kuò)散至中心內(nèi)凹區(qū)域,當(dāng)壓力升至0.4 MPa后,試驗(yàn)結(jié)束并卸壓。變形后的柱形隔膜試驗(yàn)件如圖11 所示。從圖中可以看到,隔膜最終型面光滑,絕大部分區(qū)域順利完成膨脹變形,近在上封頭段存在未完全膨脹的凹陷。此外,試驗(yàn)過(guò)程中記錄了隔膜加注口處的壓力和加注量,兩者之間的關(guān)系如圖12 所示。從圖中可以看出,隔膜試驗(yàn)件在壓力約為0.01 MPa 時(shí)開(kāi)始膨脹變形,壓力逐漸增加至0.3 MPa 后連續(xù)經(jīng)歷0.2 ～0.3 MPa 范圍內(nèi)的波動(dòng),最終升至0.4 MPa。此外,隔膜試驗(yàn)件總加注量為1.638 L,貯箱理論液腔容積為1.788 L,計(jì)算得到排放效率約為91.6%。

圖11 柱形金屬隔膜變形后形貌Fig.11 Deformed morphology of cylindrical metal diaphragm

圖12 膨脹變形壓力-加注量曲線Fig.12 Expansion deformation pressure-filling quantity curve

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果可得,隔膜變形過(guò)程和壓力曲線幅值基本一致,但隔膜最終形貌和壓力曲線分布存在一定偏差。為了解釋上述差異,試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)隔膜進(jìn)行了橫向解剖,并測(cè)量了各區(qū)域的壁厚分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于上封頭部位在增材制造過(guò)程中內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)去除后無(wú)法實(shí)施打磨,導(dǎo)致其壁厚超過(guò)設(shè)計(jì)值,進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域較隔膜筒體其他區(qū)域膨脹變形難度大,最終沒(méi)有完全膨脹并形成凹陷,如圖11 所示。此外,隔膜筒體在環(huán)向壁厚分布上存在散差,導(dǎo)致3 組隔膜瓣變形不同步,進(jìn)而導(dǎo)致隔膜膨脹變形壓力曲線上連續(xù)出現(xiàn)3 個(gè)與模擬曲線(圖8)基本一致的波動(dòng),如圖12 所示。

隔膜排放試驗(yàn)結(jié)果表明,柱形金屬隔膜方案可行。此外,后續(xù)可通過(guò)制造工藝改進(jìn)和環(huán)向壁厚分布設(shè)計(jì)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)隔膜的規(guī)則膨脹變形,提高貯箱排放效率。

6 結(jié)論

1)為確保隔膜可靠膨脹變形,隔膜瓣應(yīng)優(yōu)先從剛性較大的四周區(qū)域開(kāi)始膨脹變形,并逐步帶動(dòng)中心區(qū)域的變形;為了降低隔膜容積占比,由隔膜內(nèi)表面構(gòu)成的貯氣容腔應(yīng)盡可能小;為了提高隔膜的推進(jìn)劑排放效率,各隔膜瓣完成膨脹變形后應(yīng)盡可能與貯箱殼體內(nèi)表面貼合。

2)當(dāng)?shù)缺诤裰胃裟さ谋诤褫^小時(shí),在膨脹變形過(guò)程中中心位置容易反生顯著的徑向失穩(wěn)而出現(xiàn)應(yīng)力集中的褶皺,進(jìn)而造成此位置的泄漏失效;隨著壁厚的增加,褶皺程度減弱,同時(shí)此位置的最大應(yīng)力降低;當(dāng)壁厚增加至一定水平后,隔膜在膨脹過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的褶皺,可順利完成變形而不發(fā)生失效。

3)采用從四周區(qū)域向中心區(qū)域逐漸增加壁厚的變壁厚方案可在提升隔膜中心位置的抗失穩(wěn)能力的同時(shí)降低隔膜膨脹變形壓力。

4)柱形金屬隔膜方案可行。此外,后續(xù)可通過(guò)制造工藝改進(jìn)和環(huán)向壁厚分布設(shè)計(jì)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)隔膜的規(guī)則膨脹變形,提高貯箱排放效率。