CN111453000B - 一种承载降噪一体化火箭整流罩及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种承载降噪一体化火箭整流罩及其设计方法，包括：整流罩主体和设置在所述整流罩主体内表面的共鸣器；所述整流罩主体包括两层面板和设置在两层所述面板之间的蜂窝夹芯；所述蜂窝夹芯具有芯子，所述芯子由多个蜂格连接而成，多个所述蜂格均匀排列，所述蜂格内填充有多孔吸声材料。本申请整流罩既可以实现力学承载能力，又可以大大提升隔声量，为火箭内部的有效载荷提供一个舒适的声学环境。
Description
技术领域
本申请涉及运载火箭整流罩噪声减缓技术领域，尤其涉及一种承载降噪一体化火箭整流罩及其设计方法。
背景技术
对于运载火箭整流罩，噪声是其内部振动环境的重要激励源，整流罩作为火箭运送载荷的保护罩主要起到隔声、隔热、防污染等作用，通常而言，在进行整流罩设计时，主要关注整流罩本身的力学承载、防热、防雨水等性能，整流罩本身的隔声能力主要依靠结构的刚度保证，在结构确定后，整流罩的隔声量随即确定，国内的运载火箭往往也不采取额外的主动和被动降噪措施。卫星载荷会根据搭载火箭的罩内环境进行设计。随着航天技术的不断发展，航天精细化设计的要求越来越高，卫星载荷对运载环境的舒适性要求也越来越高，作为整流罩内部的载荷振动主要激励来源，降低整流罩内部的噪声量级是减缓结构振动的重要举措，因此，如何提高整流罩的降噪性能是仍需解决的问题。
现有的，在整流罩内部铺设声学覆盖层(多孔吸声材料)以降低整流罩内部噪声环境是较为常规的手段，然而，将声学覆盖层铺设在整流罩内部会侵占整流罩内部空间，特别是，当整流罩内部需要采取Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器等低频降噪措施时，声学覆盖层的安装更加困难。此外，在火箭飞行过程中会经受严酷的振动环境，若处理不好，声学覆盖层容易产生环境多余物，威胁到整流罩内部的卫星。
发明内容
本申请的目的在于提供一种承载降噪一体化火箭整流罩，该整流罩既可以实现力学承载能力，又可以大大提升隔声量，为火箭内部的有效载荷提供一个舒适的声学环境。
为达到上述目的，本申请提供一种承载降噪一体化火箭整流罩，包括：整流罩主体和设置在所述整流罩主体内表面的共鸣器；
所述整流罩主体包括两层面板和设置在两层所述面板之间的蜂窝夹芯；
所述蜂窝夹芯具有芯子，所述芯子由多个蜂格连接而成，多个所述蜂格均匀排列，所述蜂格内填充有多孔吸声材料。
如上的，其中，所述多孔吸声材料为三聚氰胺颗粒或者吸声棉。
如上的，其中，所述面板的材料为铝合金或者碳纤维；所述蜂窝夹芯的材料为铝箔。
如上的，其中，所述面板的外表面铺设有防热软木。
如上的，其中，所述共鸣器通过所述整流罩主体内部的预埋件安装在所述整流罩主体的内表面。
如上的，其中，所述共鸣器由密闭的空腔通过插管与所述整流罩主体外部的空间相连通而成。
本申请还提供一种对承载降噪一体化火箭整流罩的设计方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：
对整流罩主体进行设计；
根据设计完成后的整流罩主体结构，对蜂窝夹芯进行设计；
根据设计完成后的整流罩主体结构，对共鸣器进行设计。
如上的，其中，对整流罩主体进行设计方法包括如下步骤：
对整流罩主体建立假设；
在上述假设的基础上，建立整流罩主体设计的四个基本变量；
根据四个基本变量建立整流罩主体的设计约束方程；
根据设计约束方程和预先设定的约束条件，计算整流罩主体设计的四个基本变量；
在满足预先设定的整流罩主体质量约束的基础之上，对计算得到的四个基本变量进行修正。
如上的，其中，对整流罩主体建立假设为：面板为单层薄板；蜂窝夹芯不承受正应力；忽略反对称与对称变形之间的耦合作用。
如上的，其中，设计约束方程包括：
圆周总体失稳公式：
其中，Ef表示面板材料的弹性模量；tf表示面板厚度；tc表示蜂窝夹芯的高度；Gc表示芯子的剪切模量；R表示整流罩主体的圆筒段的壳体半径；H＝tc+tf，H表示整流罩主体厚度；μf表示面板材料的波松比。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请整流罩的特点是将多孔吸声材料集成到蜂窝夹芯内部，有效利用了蜂窝夹芯的内部空间，增强了蜂窝夹层结构的隔声能力。
(2)本申请在整流罩主体内部铺设共鸣器，可以有效地减低整流罩主体的内部噪声，将大大提升运载火箭的环境舒适性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种承载降噪一体化火箭整流罩的局部结构示意图。
图2为本发明实施例的插管外置的共鸣器结构示意图。
图3为本发明实施例的插管内置的共鸣器结构示意图。
图4为本发明实施例的一种承载降噪一体化火箭整流罩的设计方法的流程图。
图5为本发明实施例的整流罩主体设计方法的流程图。
附图标记：1-整流罩主体；2-共鸣器；3-面板；4-蜂窝夹芯；5-多孔吸声材料；6-插管外置共鸣器；7-翻边；8-插管；9-插管内置共鸣器。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
实施例一
如图1所示，本申请提供一种承载降噪一体化火箭整流罩，包括：整流罩主体1和设置在整流罩主体1内表面的共鸣器2；整流罩主体1包括圆筒段和圆弧段，圆筒段和圆弧段连接在一起，整流罩主体1内部为空心，整流罩主体1包括两层面板3和设置在两层面板3之间的蜂窝夹芯4；蜂窝夹芯4具有芯子，芯子由多个蜂格连接而成，多个蜂格均匀排列，蜂格内填充有多孔吸声材料5，有效利用了蜂窝夹芯4的内部空间，增强了蜂窝夹芯4的隔声性能。多孔吸声材料5为三聚氰胺颗粒或者吸声棉。
本申请通过多孔吸声材料5实现对整流罩主体1外噪声中的高频噪声进行阻隔，同时通过共鸣器2对整流罩主体1内的低频噪声进行抑制。
根据本发明的一个具体实施例，面板3的材质为铝合金或者碳纤维；蜂窝夹芯4的材质为铝箔。
根据本发明的一个具体实施例，面板3的外表面贴有防热软木，防热软木可起到隔热作用。
根据本发明的一个具体实施例，共鸣器2与整流罩主体1协同设计，以整流罩主体1的内表面作为共鸣器2的底部挡板，减低共鸣器2的结构质量，共鸣器2通过整流罩主体1内部的预埋件安装在整流罩主体1的内表面。
根据本发明的一个具体实施例，整流罩主体1的内表面均匀间隔开铺设有多个共鸣器2，提高了降噪效果。
根据本发明的一个具体实施例，将共鸣器2与整流罩主体1内空腔模态频率进行匹配，进行共振吸能，从而降低整流罩主体1外部激励下的响应峰值。
根据本发明的一个具体实施例，共鸣器2由密闭的空腔通过短管与整流罩主体1外部的空间相连通而成。
优选的，共鸣器2采用Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器，通过设置Helmholtz共鸣器实现了对整流罩主体1内部的低频噪声进行抑制。
根据本发明的一个具体实施例，蜂窝夹芯4的蜂格的横截面的形状为正六边形，多个蜂格均匀排列，彼此贴合连接。
实施例二
如图4所示，本申请提供一种承载降噪一体化火箭整流罩的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
步骤S1，对整流罩主体进行设计，获得整流罩主体的四个基本变量。
如图5所示，对整流罩主体进行设计方法包括如下步骤：
步骤S110，对整流罩主体建立假设。
对整流罩主体建立假设为：面板为单层薄板；蜂窝夹芯不承受正应力；忽略反对称与对称变形之间的耦合作用；
步骤S120，在上述假设的基础上，建立整流罩主体设计的四个基本变量。
具体的，四个基本变量为：第一，面板厚度tf；第二，蜂窝夹芯高度tc；第三，蜂格边长b；第四，蜂格壁厚ts。
步骤S130，根据四个基本变量建立整流罩主体的设计约束方程。
具体的设计约束方程如下：
对整流罩主体的设计满足如下公式：
圆周总体失稳公式：
其中，Ef表示面板材料的弹性模量；tf表示面板厚度；tc表示蜂窝夹芯的高度；Gc表示芯子的剪切模量；R表示整流罩主体的圆筒段的壳体半径；H＝tc+tf，H表示整流罩主体厚度；μf表示面板材料的波松比。
其中，ts表示蜂格壁厚；b表示蜂格边长；Gcm表示芯子材料的剪切模量。
面板对称失稳应力公式：
其中，σcr·ω表示面板对称失稳应力，σcr·ω小于或等于面板材料的屈服强度；
其中，
Ec表示芯子的压缩模量；ts表示蜂格壁厚；E表示芯子的弹性模量；b表示蜂格的边长；tf表示面板厚度；Ef表示面板材料的弹性模量；tc表示蜂窝夹芯的高度。
蜂格内表面的屈曲应力公式：
其中，σcr·b表示蜂窝夹芯的蜂格内面板的屈曲应力，σcr·b小于或等于蜂格材料的屈服强度；Ef表示面板材料的弹性模量；μf表示面板材料的波松比；tf表示面板厚度；d表示正六边形蜂格内切圆直径。
蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力公式：
其中，τcr表示蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力，τcr小于或等于蜂窝夹芯材料的剪切强度极限值；E表示芯子的弹性模量；b表示蜂格的边长；ts表示蜂格的壁厚。
步骤S140，根据设计约束方程和预先设定的约束条件，计算整流罩主体设计的四个基本变量。
根据设计约束方程，即公式(1)-(5)，令约束条件为：面板对称失稳应力σcr·ω小于或等于面板材料的屈服强度，蜂格内表面的屈曲应力σcr·b小于或等于蜂格材料的屈服强度，蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力τcr小于或等于蜂窝夹芯材料的剪切强度极限值，计算获得一组整流罩主体设计的四个基本变量：第一，面板厚度tf；第二，蜂窝夹芯高度tc；第三，蜂格边长b；第四，蜂格壁厚ts。
步骤S150，在满足预先设定的整流罩主体质量约束的基础之上，对计算得到的四个基本变量进行修正。
根据计算得到的整流罩主体设计的四个基本变量计算整流罩主体的质量，在确保满足整流罩主体质量约束的基础之上，即保证整流罩主体的质量满足预定的要求，结合工艺水平，对蜂窝夹芯结构参数进行适当的修正，得到一组切实可行的蜂窝夹芯结构参数，即得到一组切实可行的四个基本变量。
步骤S2，根据设计完成后的整流罩主体结构，对蜂窝夹芯进行设计。
具体的，对蜂窝夹芯的设计方法为：将多孔吸声材料集成到蜂窝夹芯的蜂格内部，有效利用了蜂窝夹芯的内部空间，可以极大地增强蜂窝夹芯的隔声能力。
步骤S3，根据设计完成后的整流罩主体结构，对共鸣器进行设计，使得共鸣器的共振频率与整流罩主体内空腔模态的某一频率相等。
如图2所示，共鸣器可以设置为插管外置共鸣器6。
插管外置共鸣器6为插管8外置的Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器。
插管外置Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器为等截面插管8外置形成，其共振频率的计算公式为：
其中，fr表示Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的共振频率；r表示Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器插管8的半径；L表示插管8长度；V表示Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的体积；c为声速。
如图3所示，共鸣器可以设置为插管内置共鸣器9。
插管内置共鸣器9为插管8内置的Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器。
插管内置的Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器为变截面颈口内置形式，其共振频率的计算公式为：
其中，fr表示Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的共振频率；c为声速；r表示Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器插管8的半径；L表示插管8长度；V表示亥姆霍兹共鸣器的体积；μ＝1.3，μ为修正系数。
在设计Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器时，使Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的共振频率fr与整流罩主体内空腔模态f1i(i＝1,2…)的某一阶频率相等(通常是前三阶频率)。
为了降低Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的结构质量，Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的结构需要与整流罩主体进行协同设计，Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器通过安装翻边7与火箭整流罩主体的内表面连接，整流罩主体的内表面将Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的内腔进行封闭，Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器的翻边7与整流罩主体的内表面的对接面之间增加密封垫，在安装完成后，通过密封胶对Helmholtz(亥姆霍兹)共鸣器与整流罩主体的连接处进行密封。
根据本发明的一个具体实施例，设计整流罩主体的尺寸为：直径为3.35m,圆筒段的高度为4m，圆弧段的高度为2.5m，圆弧段的曲线为冯卡门曲线。整流罩主体采用铝蜂窝夹层结构，计算得到面板厚度tf＝0.6mm，蜂窝夹芯高度tc＝30mm，蜂格边长b＝5mm，蜂格壁厚ts＝0.05mm。蜂格的内部填充固体三聚氰胺材料，两层面板和蜂窝夹芯通过胶粘工艺组装成夹层结构，整流罩主体外表面贴设厚度为4mm的301防热软木进行隔热。
整流罩主体的内壁安装有如图3所示的插管内置Helmholtz共鸣器，Helmholtz共鸣器颈开口截面半径Rg＝200mm；插管8内部半径r＝20mm；插管8颈长度L＝100mm；Helmholtz共鸣器体积V＝8400000mm^3；Helmholtz共鸣器安装翻边7与整流罩主体的内表面连接，整流罩主体内表面将Helmholtz共鸣器的内腔进行封闭，Helmholtz共鸣器的通过安装翻边7与整流罩主体的对接面增加0.2mm的橡胶密封垫，在安装完成后，通过使用密封胶进行密封。其中，Helmholtz共鸣器布置在整流罩圆筒段，沿着周向整列布置，共布置144个。
根据本发明的一种承载降噪一体化火箭整流罩，其工作原理为：
在运载火箭飞行过程中，通过整流罩主体结构进行力学承载(外压、轴压、轴拉)，噪声在由外向内传递时通过蜂窝夹芯吸收耗散一部分中高频的噪声能量；噪声传递到整流罩主体内部并在整流罩主体内部放射形成内声场，这时Helmholtz共鸣器可吸声耗散中低频的能量。相比于传统的火箭整流罩结构，本发明阐述的一种承载降噪一体化火箭整流罩既可以实现力学承载能力，又可以大大提升隔声量，为火箭内部的有效载荷提供一个舒适的声学环境。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请整流罩的特点是将多孔吸声材料集成到蜂窝夹芯内部，有效利用了蜂窝夹芯的内部空间，增强了蜂窝夹层结构的隔声能力。
(2)本申请在整流罩主体内部铺设共鸣器，可以有效地减低整流罩主体的内部噪声，将大大提升运载火箭的环境舒适性。
Claims (7)
1.一种承载降噪一体化火箭整流罩，其特征在于，包括：整流罩主体和设置在所述整流罩主体内表面的共鸣器；
所述整流罩主体包括两层面板和设置在两层所述面板之间的蜂窝夹芯；
所述蜂窝夹芯具有芯子，所述芯子由多个蜂格连接而成，多个所述蜂格均匀排列，所述蜂格内填充有多孔吸声材料；
其中，对整流罩主体通过如下方法进行设计：
对整流罩主体建立假设；
其中，对整流罩主体建立假设为：面板为单层薄板；蜂窝夹芯不承受正应力；忽略反对称与对称变形之间的耦合作用；
在上述假设的基础上，建立整流罩主体设计的四个基本变量；
根据四个基本变量建立整流罩主体的设计约束方程；
其中，设计约束方程如下：
圆周总体失稳公式：
其中，Ef表示面板材料的弹性模量；tf表示面板厚度；tc表示蜂窝夹芯的高度；Gc表示芯子的剪切模量；R表示整流罩主体的圆筒段的壳体半径；H＝tc+tf，H表示整流罩主体厚度；μf表示面板材料的波松比；
其中，ts表示蜂格壁厚；b表示蜂格边长；Gcm表示芯子材料的剪切模量；
面板对称失稳应力公式：
其中，σcr·ω表示面板对称失稳应力，σcr·ω小于或等于面板材料的屈服强度；
其中，
Ec表示芯子的压缩模量；ts表示蜂格壁厚；E表示芯子的弹性模量；b表示蜂格的边长；tf表示面板厚度；Ef表示面板材料的弹性模量；tc表示蜂窝夹芯的高度；
蜂格内表面的屈曲应力公式：
其中，σcr·b表示蜂窝夹芯的蜂格内面板的屈曲应力，σcr·b小于或等于蜂格材料的屈服强度；Ef表示面板材料的弹性模量；μf表示面板材料的波松比；tf表示面板厚度；d表示正六边形蜂格内切圆直径；
蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力公式：
其中，τcr表示蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力，τcr小于或等于蜂窝夹芯材料的剪切强度极限值；E表示芯子的弹性模量；b表示蜂格的边长；ts表示蜂格的壁厚；
根据设计约束方程和预先设定的约束条件，计算整流罩主体设计的四个基本变量；
其中，约束条件为：面板对称失稳应力σcr·ω小于或等于面板材料的屈服强度，蜂格内表面的屈曲应力σcr·b小于或等于蜂格材料的屈服强度，蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力τcr小于或等于蜂窝夹芯材料的剪切强度极限值；
在满足预先设定的整流罩主体质量约束的基础之上，对计算得到的四个基本变量进行修正。
2.根据权利要求1所述的承载降噪一体化火箭整流罩，其特征在于，所述多孔吸声材料为三聚氰胺颗粒或者吸声棉。
3.根据权利要求1所述的承载降噪一体化火箭整流罩，其特征在于，所述面板的材料为铝合金或者碳纤维；所述蜂窝夹芯的材料为铝箔。
4.根据权利要求1所述的承载降噪一体化火箭整流罩，其特征在于，所述面板的外表面铺设有防热软木。
5.根据权利要求1所述的承载降噪一体化火箭整流罩，其特征在于，所述共鸣器通过所述整流罩主体内部的预埋件安装在所述整流罩主体的内表面。
6.根据权利要求1所述的承载降噪一体化火箭整流罩，其特征在于，所述共鸣器由密闭的空腔通过插管与所述整流罩主体外部的空间相连通而成。
7.一种承载降噪一体化火箭整流罩的设计方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：
对整流罩主体进行设计；
根据设计完成后的整流罩主体结构，对蜂窝夹芯进行设计；
根据设计完成后的整流罩主体结构，对共鸣器进行设计；
其中，对整流罩主体进行设计方法包括如下步骤：
对整流罩主体建立假设；
其中，对整流罩主体建立假设为：面板为单层薄板；蜂窝夹芯不承受正应力；忽略反对称与对称变形之间的耦合作用；
在上述假设的基础上，建立整流罩主体设计的四个基本变量；
根据四个基本变量建立整流罩主体的设计约束方程；
其中，设计约束方程如下：
圆周总体失稳公式：
其中，Ef表示面板材料的弹性模量；tf表示面板厚度；tc表示蜂窝夹芯的高度；Gc表示芯子的剪切模量；R表示整流罩主体的圆筒段的壳体半径；H＝tc+tf，H表示整流罩主体厚度；μf表示面板材料的波松比；
其中，ts表示蜂格壁厚；b表示蜂格边长；Gcm表示芯子材料的剪切模量；
面板对称失稳应力公式：
其中，σcr·ω表示面板对称失稳应力，σcr·ω小于或等于面板材料的屈服强度；
其中，
Ec表示芯子的压缩模量；ts表示蜂格壁厚；E表示芯子的弹性模量；b表示蜂格的边长；tf表示面板厚度；Ef表示面板材料的弹性模量；tc表示蜂窝夹芯的高度；
蜂格内表面的屈曲应力公式：
其中，σcr·b表示蜂窝夹芯的蜂格内面板的屈曲应力，σcr·b小于或等于蜂格材料的屈服强度；Ef表示面板材料的弹性模量；μf表示面板材料的波松比；tf表示面板厚度；d表示正六边形蜂格内切圆直径；
蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力公式：
其中，τcr表示蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力，τcr小于或等于蜂窝夹芯材料的剪切强度极限值；E表示芯子的弹性模量；b表示蜂格的边长；ts表示蜂格的壁厚；
根据设计约束方程和预先设定的约束条件，计算整流罩主体设计的四个基本变量；
其中，约束条件为：面板对称失稳应力σcr·ω小于或等于面板材料的屈服强度，蜂格内表面的屈曲应力σcr·b小于或等于蜂格材料的屈服强度，蜂窝夹芯的芯壁失稳剪切应力τcr小于或等于蜂窝夹芯材料的剪切强度极限值；
在满足预先设定的整流罩主体质量约束的基础之上，对计算得到的四个基本变量进行修正。
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