CN109798204B - 一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法：(1)、在火箭发动机结构上布置N个试车加速度测点；(2)、在火箭发动机的推力室振源、涡轮泵振源、发生器振源结构与火箭发动机承力结构连接位置设置m个激励点，测量得到各激励点与试车加速度测点之间的力‑加速度的载荷传递关系，各激励点与力学复现位置之间的力‑加速度的载荷传递关系；(3)、计算各激励点在发动机试车时的激励等效载荷；(4)、通过各激励点在发动机试车时的激励等效载荷与各激励点与K个力学复现位置之间的力‑加速度的载荷传递关系，计算得到K个力学环境复现位置的力学环境特征。本发明是一种可靠地、经济成本小且不需要进行二次试车的力学环境复现方法。

Description

一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法

技术领域

一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，涉及火箭发动机力学环境复现方法领域。

背景技术

火箭发动机试车时，发动机结构承受的力学环境非常恶劣，通过监测特定点的振动加速度来掌握试车的力学环境。当试车出现发动机结构失效时，如果失效部位没有设置测量点，它的力学环境是未知的，而失效部位的力学环境特征对于失效问题分析是必不可少的，传统的解决方法是根据经验推测一种力学环境，这种方法带来的问题就是力学环境特征与失效部位的特征不一致，致使分析结果严重偏离实际情况。当某个测量点因为测量异常需要复现真实力学环境，或者因为某些原因需要掌握未测量位置的力学环境时，如果不进行再次试车，很难获得这些结果，但是火箭发动机试车成本高昂，二次试车带来的经济损失巨大。目前还没有一种适用于火箭发动机工作特点、成本低廉的方法能够有效地复现发动机结构的力学环境。

因此，一种可靠地、经济成本小且适用于火箭发动机结构试车力学环境复现方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：本发明提供了一种可靠地、经济成本小且不需要进行二次试车的力学环境复现方法，能够复现测量异常位置、未测量的结构位置、结构失效位置等发动机试车时的力学环境。

本发明的技术解决方案是：一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，该方法包括如下步骤：

(1)、在火箭发动机结构上布置N个试车加速度测点，N≥6，所述试车加速度测点至少分布于推力室振源、涡轮泵振源、发生器振源结构上；

(2)、在火箭发动机的推力室振源、涡轮泵振源、发生器振源结构与火箭发动机承力结构连接位置设置m个激励点，施加力载荷激励，并分别测量每一个力载荷激励下，N个试车加速度测点和K个力学环境复现位置的加速度响应，计算得到各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系，各激励点与力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系，m≥3,K≥1；

(3)、进行火箭发动机结构试车试验，测量N个试车加速度测点的加速度响应，根据N个试车加速度测点的加速度响应和步骤(2)所得到各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系，计算各激励点在发动机试车时的激励等效载荷；

(4)、通过各激励点在发动机试车时的激励等效载荷与步骤(2)所得到的各激励点与K个力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系，计算得到K个力学环境复现位置的力学环境特征。

所述力-加速度的载荷传递关系为单位脉冲响应函数，相应地，所述力学环境特征为加速度在时域的幅值-时间特征。

所述各激励点在发动机试车时的激励等效载荷{F(t)}_m×1为：

式中，[h(t)]_N×m为m个激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的单位脉冲响应；{X(t)}_N×1为N个试车加速度测点的加速度时域响应。

K个力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征为：

式中，h_ki(t)为第i个激励点下第k个力学环境复现位置之间的单位脉冲响应；F_i(τ)为第i个激励点在发动机试车时的激励等效载荷的时域表达，A_k(t)为第k个力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征。

所述力-加速度的载荷传递关系为频率响应函数，相应地，所述力学环境特征为加速度在频域的幅值-频率特征。

所述推力室振源、涡轮泵振源、发生器振源在发动机试车时的激励等效载荷的具体计算方法为：

式中，[H(f)]_N×m为m个激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的频率响应函数；{X(f)}_N×1为N个试车加速度测点的加速度频域响应。

所述K个力学环境复现位置的加速度在频域的幅值-频率特征为：

式中，H_ki(f)为第i个激励点下第k个力学环境复现位置的力-加速度的频率响应函数；F_i(f)为第i个激励点在发动机试车时的激励等效载荷的频域表达；A_k(f)为第k个力学环境复现位置的加速度在频域的幅值-频率特征。

所述发动机涡轮泵包括涡轮、氧化剂泵、燃料剂泵，涡轮、氧化剂泵、燃料剂泵三者为同轴一体结构，或者涡轮、氧化剂泵同轴一体结构以及涡轮、燃料剂泵同轴一体结构。

所述火箭发动机的循环方式为开式循环、闭式补燃循环。

所述推力室振源与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷设置推力室轴向为主振方向；所述涡轮泵振源与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷设置涡轮泵径向为主振方向；所述发生器振源结构与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷设置发生器振源轴向为主振方向。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明针对在火箭发动机试车的恶劣力学环境进行力学环境复现，仅需要在火箭发动机当时试车环境下测量特定位置加速度响应，不需要对火箭发动机进行二次点火，就可以实现当时未测量位置力学环境的复现，可以极大节约经济成本；

(2)、本发明提出了时域和频域的力学环境复现的具体计算方法，该方法既能对发动机结构在时域的力学环境响应进行复现，也可以对发动机结构在频域的力学环境响应进行复现；此外，该方法能够对在试车时发生故障的发动机结构力学环境响应进行复现，能够复现发动机故障结构从试车的正常状态到故障状态这一过程的力学环境演变过程，为故障部位力学环境评估和故障演化分析提供了解决途径；

(3)、本发明利用了发动机试车时的例行测点，不需要针对具体型号的发动机设置特定测点，对于液体火箭发动机尤其是泵压式火箭发动机的结构具有通用性，适用于泵压式液体火箭发动机在试车或点火工作时的结构力学环境复现。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的火箭发动机结构试车力学环境复现示意图；

图3为本发明实施例的推力室振源载荷等效；

图4为本发明实施例的涡轮泵振源载荷等效；

图5为本发明实施例的发生器振源载荷等效；

图6为本发明实施例的力学环境复现时域结果对比；

图7为本发明实施例的力学环境复现频域结果对比。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供了一种可靠地、经济成本小且不需要进行二次试车的力学环境复现方法，能够复现测量异常位置、未测量的结构位置、结构失效位置等发动机试车时的力学环境。

如图1所示，本发明提供的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法包括如下步骤：

(1)、在火箭发动机结构上布置N个试车加速度测点，N≥6，所述试车加速度测点至少分布于推力室振源、涡轮泵振源、发生器振源结构上；所述发动机涡轮泵包括涡轮、氧化剂泵、燃料剂泵，涡轮、氧化剂泵、燃料剂泵三者可以为同轴一体结构，或者涡轮、氧化剂泵同轴一体结构以及涡轮、燃料剂泵同轴一体结构。所述火箭发动机的循环方式可以为开式循环或者闭式补燃循环。

(2)、在火箭发动机的推力室振源、涡轮泵振源、发生器振源结构与火箭发动机承力结构连接位置设置m个激励点，施加力载荷激励，并分别测量每一个力载荷激励下，N个试车加速度测点和K个力学环境复现位置的加速度响应，计算得到各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系，各激励点与力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系，m≥3,K≥1；

不限制推力室、涡轮泵、发生器振源的具体位置、等效振源数量和方向，可以是多个振源，也可以是某一振源的不同方向。对于火箭发动机的推力室振源，可以在推力室结构与发动机承力结构连接位置的轴、径、切方向上分别施加力载荷；对于涡轮泵振源，可以在涡轮泵与发动机承力结构集中连接点位置的轴、径、切方向上分别施加力载荷；对于发生器振源，也可以在发生器燃气出口管集中连接点的轴、径、切方向分别施加力载荷。

考虑到发动机实际情况，对于推力室振源而言，其轴向振动最大，因此，所述推力室振源与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷最好设置推力室轴向为主振方向；对于涡轮泵振源而言，其径向振动最大，因此，所述涡轮泵振源与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷最好设置涡轮泵径向为主振方向；对于发生器振源而言，其轴向振动最大，因此，所述发生器振源结构与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷最好设置发生器振源轴向为主振方向。

如果力学环境复现位置位于高温结构，测量传感器难以进行正常测量，在试车前进行测量；如果力学环境复现位置为试车后失效位置或者测量异常位置，可以在试车后进行测量。

(3)、进行火箭发动机结构试车试验，测量N个试车加速度测点的加速度响应，根据N个试车加速度测点的加速度响应和步骤(2)所得到各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系，计算各激励点在发动机试车时的激励等效载荷；所述振源载荷等效，是指给出一组等效激振力，在这些力的共同作用下，能够使发动机试车加速度测点的加速度响应与发动机试车时测量的响应基本一致，将这样一组力称为发动机试车时振源载荷等效。

(4)、通过各激励点在发动机试车时的激励等效载荷与步骤(2)所得到的各激励点与K个力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系，计算得到K个力学环境复现位置的力学环境特征。

所述力学环境复现，是指对发动机工作时传感器没有测量或测量异常位置的振动加速度的复现。力学环境特征分为两种：一种是时域特征，即力学环境特征为加速度在时域的幅值-时间特征；另一种是频域特征，即加速度在频域的幅值-频率特征。本发明既可以复现火箭发动机试车力学环境加速度在时域的幅值-时间特征，也可以复现力学环境加速度在频域的幅值-频率特征。

为了得到力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征，上述方法中所述力-加速度的载荷传递关系为单位脉冲响应函数。

相应地，所述各激励点在发动机试车时的激励等效载荷{F(t)}_m×1为：

式中，[h(t)]_N×m为m个激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的单位脉冲响应；{X(t)}_N×1为N个试车加速度测点的加速度时域响应。

K个力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征为：

式中，h_ki(t)为第i个激励点下第k个力学环境复现位置之间的单位脉冲响应；F_i(τ)为第i个激励点在发动机试车时的激励等效载荷的时域表达，A_k(t)为第k个力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征。

为了得到力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征，上述方法中中所述力-加速度的载荷传递关系为频率响应函数，相应地，所述力学环境特征为加速度在频域的幅值-频率特征。

所述推力室振源、涡轮泵振源、发生器振源在发动机试车时的激励等效载荷的具体计算方法为：

式中，[H(f)]_N×m为m个激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的频率响应函数；{X(f)}_N×1为N个试车加速度测点的加速度频域响应。

相应地，所述K个力学环境复现位置的加速度在频域的幅值-频率特征为：

式中，H_ki(f)为第i个激励点下第k个力学环境复现位置的力-加速度的频率响应函数；F_i(f)为第i个激励点在发动机试车时的激励等效载荷的频域表达；A_k(f)为第k个力学环境复现位置的加速度在频域的幅值-频率特征。

本发明是一种可靠地、经济成本小且不需要进行二次试车的力学环境复现方法，用于火箭发动机结构试车力学环境复现，为发动机结构动特性分析、振动失效技术分析提供技术手段和途径。

实施例：

图2为本发明实施例的火箭发动机结构试车力学环境复现示意图。如图2所示，1为推力室振源，2为涡轮泵振源，3为发生器振源，4为试车加速度测点，5为管路或者阀门，6为火箭发动机承力结构，7为力学环境复现位置。

本实施例的具体实现过程如下：

s1：布置试车加速度测点，测点位置分布于推力室振源1、涡轮泵振源2、发生器振源3、管路或阀门5、火箭发动机承力结构6上；

s2：布置力学环境复现位置测点；

s3：测量推力室振源1与试车加速度测点4之间的力-加速度的载荷传递关系，测量涡轮泵振源2与试车加速度测点4之间的力-加速度的载荷传递关系，测量发生器振源3与试车加速度测点4之间的力-加速度的载荷传递关系；

s4：测量推力室振源1与力学环境复现位置7之间的力-加速度的载荷传递关系，测量涡轮泵振源2与力学环境复现位置7之间的力-加速度的载荷传递关系，测量发生器振源3与力学环境复现位置7之间的力-加速度的载荷传递关系；

s5：测量火箭发动机试车时试车加速度测点4的加速度；

s6：同步测量火箭发动机试车时力学环境复现位置7的加速度，用于在s9验证力学环境复现的有效性；

s7：利用s3的力-加速度的载荷传递关系与s5的加速度，分别对火箭发动机试车时的振源进行等效，附图3为推力室振源1在发动机试车时的等效结果、附图4为涡轮泵振源2在发动机试车时的等效结果、附图5为发生器振源3在发动机试车时的等效结果；

s8：利用步骤4的力-加速度的载荷传递关系和步骤7等效的推力室振源1、涡轮泵振源2和发生器振源3，对力学环境复现位置7的力学环境时域和频域特征进行计算，获得力学环境复现位置7的力学环境特征；

s9：对比s8计算的力学环境与s6发动机试车时力学环境复现位置7测量的力学环境，如附图6所示，为发动机试车点火启动后的力学环境复现时域结果和测量时域结果对比，该方法复现了包括启动时燃料阀门和氧化剂阀门依次作动的冲击响应和发动机从启动到稳定工作的力学环境响应过程；如附图7所示，为发动机试车稳定段的力学环境复现频域结果和测量频域结果对比，该方法能够通过复现发动机稳定工作时的燃烧主频和涡轮泵旋转倍频，且频域内预示的力学环境响应与测量值几乎一致；这也验证了火箭发动机结构试车力学环境复现方法的有效性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、在火箭发动机结构上布置N个试车加速度测点，N≥6，所述试车加速度测点至少分布于推力室振源、涡轮泵振源和发生器振源结构上；

(2)、在火箭发动机的推力室振源、涡轮泵振源和发生器振源结构与火箭发动机承力结构连接位置设置m个激励点，施加力载荷激励，并分别测量每一个力载荷激励下，N个试车加速度测点和K个力学环境复现位置的加速度响应，计算得到各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系，各激励点与力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系，m≥3,K≥1；

(3)、进行火箭发动机结构试车试验，测量N个试车加速度测点的加速度响应，根据N个试车加速度测点的加速度响应和步骤(2)所得到各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系，计算各激励点在发动机试车时的激励等效载荷；

(4)、通过各激励点在发动机试车时的激励等效载荷与步骤(2)所得到的各激励点与K个力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系，计算得到K个力学环境复现位置的力学环境特征。

2.根据权利要求1所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系和各激励点与力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系为单位脉冲响应函数，相应地，所述力学环境特征为加速度在时域的幅值-时间特征。

3.根据权利要求2所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于所述各激励点在发动机试车时的激励等效载荷{F(t)}_m×1为：

式中，[h(t)]_N×m为m个激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的单位脉冲响应；{X(t)}_N×1为N个试车加速度测点的加速度时域响应。

4.根据权利要求2所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于K个力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征为：

式中，h_ki(t-τ)为第i个激励点下第k个力学环境复现位置力-加速度的单位脉冲响应；F_i(τ)为第i个激励点在发动机试车时的激励等效载荷的时域表达，A_k(t)为第k个力学环境复现位置的加速度在时域的幅值-时间特征。

5.根据权利要求1所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于各激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的载荷传递关系和各激励点与力学环境复现位置之间的力-加速度的载荷传递关系为频率响应函数，相应地，所述力学环境特征为加速度在频域的幅值-频率特征。

6.根据权利要求5所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于所述推力室振源、涡轮泵振源和发生器振源在发动机试车时的激励等效载荷的具体计算方法为：

式中，[H(f)]_N×m为m个激励点与试车加速度测点之间的力-加速度的频率响应函数；{X(f)}_N×1为N个试车加速度测点的加速度频域响应。

7.根据权利要求5所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于所述K个力学环境复现位置的加速度在频域的幅值-频率特征为：

式中，H_ki(f)为第i个激励点下第k个力学环境复现位置的力-加速度的频率响应函数；F_i(f)为第i个激励点在发动机试车时的激励等效载荷的频域表达；A_k(f)为第k个力学环境复现位置的加速度在频域的幅值-频率特征。

8.根据权利要求1所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于：所述涡轮泵振源包括涡轮、氧化剂泵、燃料剂泵，涡轮、氧化剂泵、燃料剂泵三者为同轴一体结构，或者涡轮、氧化剂泵同轴一体结构以及涡轮、燃料剂泵同轴一体结构。

9.根据权利要求1所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于所述火箭发动机的循环方式为开式循环或闭式补燃循环。

10.根据权利要求1所述的一种火箭发动机结构试车力学环境复现方法，其特征在于：所述推力室振源与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷设置推力室轴向为主振方向；所述涡轮泵振源与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷设置涡轮泵径向为主振方向；所述发生器振源结构与火箭发动机承力结构连接位置激励点力载荷设置发生器振源轴向为主振方向。

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