CN108593231A - 运载火箭随机振动试验条件确定方法 - Google Patents

运载火箭随机振动试验条件确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种运载火箭随机振动试验条件确定方法，包括：针对待测火箭的除尾段以外的其他舱段，分别实施以下步骤：获得关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度；根据参考舱段的外噪声声压级谱、表面重量密度，及其上单机设备的随机振动响应，与待测火箭关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度，计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应；其中，所述参考舱段为参考火箭中与所述关注舱段结构相似的舱段，所述参考火箭为已飞行成功的火箭；对所述关注舱段上单机设备的随机振动响应进行包络处理，以得到所述关注舱段上单机设备的随机振动试验条件。

Description

运载火箭随机振动试验条件确定方法
技术领域
本发明涉及运载火箭领域，尤其涉及一种运载火箭随机振动试验条件确定方法。
背景技术
运载火箭上的单机设备在发射段经受的随机振动环境因素包括两方面：一是发动机平稳工作段的推力脉动沿结构的传递；二是单机设备安装面在噪声作用下的局部振动响应。箭上单机设备的破坏或失效与所承受的随机振动环境密切相关，试验条件准确程度直接影响着产品的设计水平和地面试验的有效性，影响单机设备的质量，这是关系到火箭飞行成败的关键因素之一。
现有随机振动试验条件设计方法主要依靠从实测的环境数据出发，有了大量可用的实测环境数据，用统计方法分析这些数据，并进行适当包络，制定出相应的试验条件。但是大量的实测环境数据只有在火箭生产出来，经过多次飞行试验后才能获得，而试验条件总是要求在火箭设计之前提供，以便用试验的方法检查单机设备对环境的适应性。
因此，为了满足新火箭设计的需要，试验条件必须在缺乏新火箭的实测环境数据条件下完成，所需的环境只能靠预示解决。在预示方法上，常采用有限元、边界元、统计能量法等分析方法，但分析模型需经过充分的验证才能保证计算的有效性。仿真计算中一些关键参数，如损耗因子等需要通过试验获得，也大大增加了仿真预示的难度和计算结果的不确定性。同时仿真预示需要耗费大量的时间和精力，为新火箭的方案快速论证等带来诸多不便。
发明内容
为了解决以上提到的一个或多个技术问题，本发明提供了一种运载火箭随机振动试验条件确定方法，其特征在于，包括：针对待测火箭的除尾段以外的其他舱段，分别实施以下步骤：
获得关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度；
根据参考舱段的外噪声声压级谱、表面重量密度，及其上单机设备的随机振动响应，与待测火箭关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度，计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应；
其中，所述参考舱段为参考火箭中与所述关注舱段结构相似的舱段，所述参考火箭为已飞行成功的火箭；
对所述关注舱段上单机设备的随机振动响应进行包络处理，以得到所述关注舱段上单机设备的随机振动试验条件。
可选的，所述关注舱段的表面重量密度为舱段安装的单机设备的总重量与舱段表面积的比值。
可选的，所述计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应，具体包括：
通过以下公式计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应：
其中：
Pn(fc)为关注舱段的外噪声声压级谱；
wn为关注舱段的表面重量密度；
Pr(fc)为参考舱段的外噪声声压级谱；
wr为参考舱段的表面重量密度；
Gr(fc)为参考舱段上单机设备的随机振动响应；
Gn(fc)为关注舱段上单机设备的随机振动响应。
可选的，所述的方法，包括：针对待测火箭的尾段，实施以下步骤：
获取尾段发动机地面试车状态时发动机附近实测的随机振动响应数据；
对实测数据进行包络处理，以得到所述尾段内单机设备的随机振动试验条件。
本发明提供的运载火箭随机振动试验条件确定方法，利用参考舱段的数据，可快速给出待测火箭的各舱段内单机设备的随机振动试验条件，解决新火箭方案论证阶段随机振动条件较难设计的问题，避免了仿真方法所带来的不确定性。此外，本发明提供的方法适用的环节更多样，其可以作为型号环境条件的顶层设计，可应用于型号方案论证和单机设备研制中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一运载火箭随机振动试验条件确定方法的流程示意图；
图2是本发明一运载火箭随机振动试验条件确定方法的流程示意图；
图3是本发明一待测火箭一级箱间舱段外噪声谱；
图4是本发明一参考火箭一级箱间舱段外噪声谱；
图5是本发明一参考火箭一级箱间段上单机设备的随机振动响应；
图6是本发明一待测火箭一级箱间段上单机设备的随机振动响应；
图7是本发明一待测火箭一级箱间段上单机设备的随机振动试验条件；
图8是本发明一待测火箭尾段内单机设备的随机振动试验条件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1是本发明一运载火箭随机振动试验条件确定方法的流程示意图；图2是本发明一运载火箭随机振动试验条件确定方法的流程示意图。
请参考图1和图2，所述的方法，包括：
针对待测火箭的除尾段以外的其他舱段，分别实施以下步骤：
S11：获得关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度。
对于外噪声声压级谱，可以通过预示或实测的方式获得待测火箭的关注舱段对应的外噪声声压级谱Pn(fc)。
具体实施过程中，可以通过仿真预示或工程计算或试验实测，获得待测火箭各舱段的外噪声声压级谱。可见，可以先同时获取各关注舱段的外噪声声压级谱，然后分别针对各关注舱段实施步骤S12和步骤S13，也可以计算当前的关注舱段的外噪声声压级谱时才实施步骤S11，不论哪钟方式，均满足针对任意一个关注舱段，始终先实施步骤S11再实施后续步骤的先后顺序。
以一级箱间舱段为例，图3是本发明一待测火箭一级箱间舱段外噪声谱；具体实施过程中，可以根据发动机地面试车和工程算法，获得的待测火箭关注的一级箱间舱段外噪声声压谱，其如图3所示。
对于表面重量密度，也可理解为：根据待测火箭的设计状态，计算关注舱段的表面重量密度；所述关注舱段的表面重量密度可以为舱段安装的单机设备的总重量与舱段表面积的比值。处于不同设计状态，其安装的单机设备可以不同。
具体实施过程中，可以根据新研火箭的设计状态，计算关注舱段主结构和舱段内所有单机设备的重量之和；计算关注舱段的表面积；重量之和除以表面积就是关注舱段的表面重量密度。
以待测火箭一级箱间舱段为例，舱段主体结构和舱段内所有单机设备的重量之和为601kg，表面积为10.5m2，表面重量密度wn则为57.24kg/m2。
S12：根据参考舱段的外噪声声压级谱、表面重量密度，及其上单机设备的随机振动响应，与待测火箭关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度，计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应。
其中，所述参考舱段为参考火箭中与所述关注舱段结构相似的舱段，所述参考火箭为已飞行成功的火箭。
具体实施过程中，步骤S12之前，还可以包括：根据关注舱段的结构设计及舱内单机设备特点，选取已飞行成功的参考火箭中结构设计相似的舱段作为参考舱段。
以一级箱间舱段为例，若待测火箭的关注舱段为一级箱间舱段，且采用框、桁条、蒙皮组合的桁式半硬壳铆接结构方案，舱体直径Φ3350mm，高度1380mm。则根据上述结构特点，选取已飞行成功的火箭，该火箭一级箱间段同样采用框、桁条、蒙皮组合的桁式半硬壳铆接结构，舱体直径Φ3350mm，高度1380mm，因此选取该火箭一级箱间段作为参考对象。
步骤S12之前，还可以包括：通过仿真、工程计算、试验实测中任意至少一种方式，获得作为参考舱段的外噪声声压级谱Pr(fc)；计算参考舱段主结构重量、舱段内所有单机设备的重量之和，计算参考舱段的表面积，通过重量之和除以表面积得到参考舱段的表面重量密度wr；通过试验数据分析，可以得到参考对象舱段上单机设备的随机振动功率谱响应Gr(fc)。
以一级箱间舱段为例，图4是本发明一参考火箭一级箱间舱段外噪声谱；图5是本发明一参考火箭一级箱间段上单机设备的随机振动响应；火箭一级箱间舱段段主体结构和舱段内所有单机设备的重量之和为560.3kg，表面积为10.5m2，表面重量密度wr为53.36kg/m2。地面和飞行试验结果表明，该火箭一级箱间舱段外噪声谱Pr(fc)，其如图4所示；舱上单机设备的随机振动响应Gr(fc)，其如图5所示。
具体实施过程中，步骤S12中，通过以下公式计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应：
其中：
Pn(fc)为关注舱段的外噪声声压级谱；
wn为关注舱段的表面重量密度；
Pr(fc)为参考舱段的外噪声声压级谱；
wr为参考舱段的表面重量密度；
Gr(fc)为参考舱段上单机设备的随机振动响应；
Gn(fc)为关注舱段上单机设备的随机振动响应。
以一级箱间舱段为例，图6是本发明一待测火箭一级箱间段上单机设备的随机振动响应；图3示意的Pn(fc)曲线、步骤S11中得到的wn＝57.24kg/m2，图4示意的Pr(fc)曲线、步骤S12之前得到的wr＝53.36kg/m2、图5示意的Gr(fc)曲线，可带入公式中，得到Gn(fc)，其结果可如图6所示。
S13：对所述关注舱段上单机设备的随机振动响应进行包络处理，以得到所述关注舱段上单机设备的随机振动试验条件。
以一级箱间舱段为例，图7是本发明一待测火箭一级箱间段上单机设备的随机振动试验条件，步骤S13得到的条件可如图7所示。
图8是本发明一待测火箭尾段内单机设备的随机振动试验条件，请参考图2和图8，所述的方法，还可以包括：针对待测火箭的尾段，实施以下步骤：
S16：获取尾段发动机地面试车状态时发动机附近实测的随机振动响应数据。
S17：对实测数据进行包络处理，以得到所述尾段内单机设备的随机振动试验条件。
步骤S16和S17得到的条件可如图7所示。
此外，步骤S16和步骤S17可以独立于步骤S11至步骤S13进行。
其中一种实施方式中，步骤S16和步骤S17可在步骤S13之后实施，具体的可以为：还包括：
S14：判断是否已确定了除尾段以外的其他舱段的试验条件。
若是，则实施步骤S16。
若否，则实施步骤S15：在其他舱段中确定下一个关注舱段，进而针对该关注舱段，再次实施步骤S11至步骤S14，直至除尾段以外的其他舱段的试验条件均已确定。
所述的方法可以成功应用于火箭研制中，保证了箭上单机设备随机振动试验考核的充分性和准确性。新一代火箭飞行试验圆满成功，飞行结果表明，制定的随机振动试验条件与飞行遥测吻合较好。本发明方法也可以应用于火箭后续型号研制中。
综上所述，本发明提供的运载火箭随机振动试验条件确定方法，利用参考舱段的数据，可快速给出待测火箭的各舱段内单机设备的随机振动试验条件，解决新火箭方案论证阶段随机振动条件较难设计的问题，避免了仿真方法所带来的不确定性。此外，本发明提供的方法适用的环节更多样，其可以作为型号环境条件的顶层设计，可应用于型号方案论证和单机设备研制中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种运载火箭随机振动试验条件确定方法，其特征在于，包括：针对待测火箭的除尾段以外的其他舱段，分别实施以下步骤：
获得关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度；
根据参考舱段的外噪声声压级谱、表面重量密度，及其上单机设备的随机振动响应，与待测火箭关注舱段的外噪声声压级谱及表面重量密度，计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应；
其中，所述参考舱段为参考火箭中与所述关注舱段结构相似的舱段，所述参考火箭为已飞行成功的火箭；
对所述关注舱段上单机设备的随机振动响应进行包络处理，以得到所述关注舱段上单机设备的随机振动试验条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关注舱段的表面重量密度为舱段安装的单机设备的总重量与舱段表面积的比值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应，具体包括：
通过以下公式计算得到所述关注舱段上单机设备的随机振动响应：
其中：
Pn(fc)为关注舱段的外噪声声压级谱；
wn为关注舱段的表面重量密度；
Pr(fc)为参考舱段的外噪声声压级谱；
wr为参考舱段的表面重量密度；
Gr(fc)为参考舱段上单机设备的随机振动响应；
Gn(fc)为关注舱段上单机设备的随机振动响应。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：针对待测火箭的尾段，实施以下步骤：
获取尾段发动机地面试车状态时发动机附近实测的随机振动响应数据；
对实测数据进行包络处理，以得到所述尾段内单机设备的随机振动试验条件。
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