气动载荷对整流罩分离特性影响的仿真计算研究

张 刚，刘陆广，赵卓茂，蔡邵佳，张建华

（北京强度环境研究所，北京100076）

气动载荷对整流罩分离特性影响的仿真计算研究

张 刚，刘陆广，赵卓茂，蔡邵佳，张建华

（北京强度环境研究所，北京100076）

文章利用有限元软件Abaqus中的流-固耦合分析模块CEL仿真计算了整流罩平抛分离过程，对比研究了气动载荷对整流罩分离过程的影响，并与试验进行了对比。结果表明，计算与试验结果吻合较好，分离初始时刻罩内负压所产生的气动载荷严重阻碍整流罩的正常分离，造成整流罩与内部有效载荷的碰撞干涉。仿真计算可为今后整流罩地面分离试验验证提供新的途径。

整流罩分离；分离试验；CEL算法；气动载荷；负压

0 引言

整流罩作为运载火箭及有效载荷的保护组件，可在发射飞行阶段防止有效载荷受气动力、气动热及声振等环境因素影响，为其提供良好环境。运载火箭飞出大气层、完成使命后，需要按指令完成整流罩分离、抛罩。整流罩分离装置是运载火箭中一个非常关键的系统，分离前要确保整流罩与箭体的整体连接；分离时，要确保可靠分离，不能出现干涉或碰撞。国内整流罩分离通常采用整体拔罩、旋抛及平抛3种方式。其中整体拔罩分离的优点为整体性好，刚度好，变形小；缺点为相对运动距离长，需要导向以及小火箭提供分离力。旋抛分离的优点为分离距离小，有铰链限位，一般不会与火箭发生碰撞，适用范围广；缺点是需要两次解锁，需设置铰链和较多弹簧，结构复杂。平抛分离的优点为不需要铰链和小火箭，结构简单；缺点为两个半罩不受控，姿态变化大，可能与火箭发生碰撞，须以一定平抛速度或过顶角速度完全脱离箭体，并与箭体保持足够分离距离[1-2]。

为此，在整流罩研制中须开展地面分离验证试验，考核整流罩设计方案的可行性。然而，由于地面大气气动载荷作用，使整流罩在地面分离试验中的运动参数与其在真实大气层外的运动参数不一致。为此，需要在真空罐中进行分离试验，然而对于大型整流罩需要大尺寸的真空罐，且罐内回收难度大，对测控系统等试验设备要求严格，成本较高。因此，整流罩分离方案验证一般通过地面分离试验和分离动力学仿真相结合的方法。

1 计算方法

1.1 耦合欧拉-拉格朗日算法

耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法在处理流体-结构之间相互耦合问题时相对于CFD方法具有强大的优势，目前已有了广泛的应用[4-6]。

在CEL算法中，网格点可以随物质点同步移动，也可以在空间中固定不动。因此，CEL 算法在解决物体的大位移，如碰撞、流体动力学及流体与固体之间的相互作用时，具有明显优势。

在Abaqus软件中，每个欧拉单元指定一个欧拉体积分数（Eulerian volume fraction, EVF），代表该单元被流体充满的比例。如果一个欧拉单元被流体全部充满，那么 EVF=1；如果在单元中没有流体，则EVF=0。流体可以在欧拉单元内自由流动，并且和EVF≠0的欧拉单元耦合。

CEL通过罚函数法计算流体与固体之间相互作用载荷。计算过程中，检查每一个固体节点流体的贯穿深度，因为固体与流体材料之间的相互作用载荷与贯穿深度成正比[4]。采用通用的硬接触方式计算运动过程中固体结构与流体结构之间的实时传递作用载荷，又采用EVF方法实时计算流体场在系统内及每个欧拉单元内的分布。为了精确模拟流体与固体之间的相互传递载荷，固体单元厚度通常为流体单元厚度的4倍以上。

1.2 控制方程

在CEL算法中，控制方程由质量守恒、动力守恒、能量守恒以及连续方程组成，控制方程需要在欧拉坐标下进行时间积分。欧拉材料可以描述为黏性可压缩牛顿流体[7]，即

其中：σ为Cauchy 应力张量；p为压力；η为剪切黏度；为应变率。

由式(1)可知，对欧拉材料的处理，需要同时使用本构模型和状态方程描述一种材料的特性。本文通过应用理想空气模型并引入黏性系数计算气体运动，气体模型为

其中：p为气体压力；pA为外部环境压力；ρ为初始空气密度；R为气体常数；θ为初始气体温度；θZ为绝对零度。普通大气环境下，空气域初始温度为295 K，密度为1.205 kg/m3，气体常数为287 J/(kg⋅K)，则外界空气压力pA为102 021 Pa。

2 计算模型

2.1 固体域模型

整流罩由2个半罩组成，直径约1.66 m，长度约4.8 m，每半罩质量约175 kg。采用沿纵向分离面上的高压气体作为分离能源的平抛分离方式。分离过程中整流罩呼吸变形量相对罩体尺寸可以忽略不计[7]。因此，为了减小计算成本，本文采用简化刚体模型重点对比研究气动载荷对整流罩分离运动参数的影响。

计算中，根据整流罩外形尺寸建立有限元模型，通过采用耦合分布质量及转动惯量方法保证计算模型质量、质心位置及分离方向转动惯量与真实整流罩一致。计算中，整流罩沿x坐标轴旋转平抛分离，整流罩及有效载荷模型如图1所示。本文计算使用工作站，其CPU为32核，内存16 GByte，计算时间约1 h。

2.2 欧拉域模型

由于问题具有对称性，选用半罩模型进行计算。整个欧拉域为长、宽、高分别为2.2 m×2.2 m×6.3 m的长方体区域，靠近整流罩端采用对称边界条件，其他5个面采用无反射边界条件，欧拉尺寸根据固体材料厚度（整流罩的厚度）确定，采用标准六面体网格（EC3D8R）。由于CEL欧拉网格尺寸对流-固耦合计算结果影响较大，初始整流罩位置网格尺寸较小，距离整流罩远端网格尺寸较大；计算中，靠近欧拉区域网格边长为0.04 m，最远端网格边长为0.18 m，整个欧拉区域共划分298 928个网格，如图2所示。

3 计算结果

3.1 分离特性分析

整流罩地面分离试验设计过程中，往往先将气动载荷进行简化处理，设定分离过程中整流罩的迎风面气动载荷与其线速度的平方成正比；再将气动载荷等效加载至压心位置计算整流罩的地面分离特性，分析计算气动载荷对分离特性的影响。

然而，由于整流罩线速度是一个逐渐增大的过程，对应气动载荷也是一个增加的过程。此外，对于本文讨论的平抛分离方式，无法对其气动载荷进行精确计算。因而，采用流-固耦合模型实时计算出的气动载荷结果将更为精确。

3.2 分离过程流体域气体流动

分离过程中整流罩周围气场分布如图3所示。从图中可以看出：分离初始时刻，整流罩前段迎风面气体受到整流罩作用压力瞬间升高，沿着整流罩形成一个正压力场，整流罩内部包络区域则形成一个负压场，如图3(a)所示；随着整流罩的继续分离运动，罩内负压值逐渐增大，而外部正压区域则由于气体均衡流动而逐渐下降，如图3(b)、(c)所示；随着整流罩持续运动，外部正压气体将迅速流入罩内负压区域，造成外部正压及内部负压值同时降低，形成内外部压力均衡的状态，如图3(d)所示。

3.3 罩内压力结果对比分布

地面分离过程中通过压力传感器获取了整流罩内部沿轴线不同高度位置的压力时间历程，结果如图4所示。从图中可以看出：分离过程中，罩内瞬间产生一个负压，且其顶端处负压峰值大于底端处的。分析可知，由于整流罩顶端沿分离方向水平速度较底端偏大，所以顶端体积变化速率快于底端。随着整流罩继续分离运动，外部气体将瞬间流入罩内，造成整流罩内负压瞬间减小；由于气体流动惯性影响，罩内将出现一个短暂正压场，然后来回往复，并最终达到压力平衡且趋于0。

整流罩分离过程中，罩内顶端压力时间历程的计算和试验结果对比如图 5所示。从图中可以看出：计算结果相对试验结果偏小，罩内顶端压力最大峰值约8000 Pa，脉宽约28 ms。虽然计算结果和试验结果的峰值相差不大，但峰值发生的时刻和周期数有较大差别，这是由于试验中整流罩是线弹性结构，而计算中采用刚体模型，且计算中整流罩运动边界条件（角速度）是通过试验中高速摄影测量并对数据进行处理后而得，与实际试验中线弹性结构分离的运动轨迹存在一定偏差。

3.4 分离过程中气动载荷结果对比

计算提取了分离过程中整个罩体所受到的沿3个坐标轴方向上的气动载荷，结果如图6所示。由于结构的对称性，分离过程中x方向应无气动载荷作用，这与图6中x方向气动载荷基本为0吻合。分离方向z向气动载荷峰值最大，y向次之，均表现为分离初始时刻载荷瞬间增大，而后又快速减小，并出现一个反方向载荷。分析可知，初始瞬间由于罩内外压差瞬间建立，造成整流罩所受载荷瞬间增大，且该载荷将阻碍整流罩的分离。而随着整流罩的进一步分离运动，外部正压气体流入罩内负压区域，造成整流罩所受载荷又迅速减小，且由于气体流动惯性因素的影响，将短暂出现罩内压力超过罩外压力的现象，造成一个反方向载荷；随着时间的推移，该现象将往复出现，且幅值逐渐减小。计算中分离方向最大气动载荷约为50 000 N。

分离方向整流罩所受气动载荷时间历程的计算和试验结果对比如图7所示。从图中可以看出，计算与试验结果基本一致，试验的最大载荷结果超过50 000 N，计算结果合理。

3.5 气动载荷对分离姿态影响

考虑气动载荷计算中，不同时刻整流罩分离姿态如图8所示。从图中可以看出，分离过程中整流罩与内部有效载荷发生了明显干涉，这在试验过程中得到了证实，造成了分离试验失败。而无气动载荷情况下，不同时刻整流罩分离姿态计算结果见图9，从图中可以看出，整流罩与内部结构没有干涉发生，表明在真空状态下分离试验获得了成功。2种状态下整流罩水平方向位移时间历程曲线如图 10所示，无气动载荷时，整流罩在分离能源作用下水平位移迅速增加，避免了与内部有效载荷发生干涉的危险。

4 结论

整流罩地面平抛分离试验时必须考虑气动载荷对其分离运动参数的影响，通过对简化整流罩刚体模型进行计算分析并与试验结果对比得出如下结论：

1）平抛分离初始时刻，整流罩内部将瞬间产生一个负压场，随着整流罩继续平抛打开，负压场将迅速减小，且由于流体惯性，罩内将出现一个短暂的正压场；

2）整流罩地面平抛分离时，气动载荷将严重阻碍整流罩正常分离，平抛方向气动载荷表现为瞬间增大然后又快速减小，真空环境下可以正常分离的设计条件在地面大气情况下有可能无法正常分离；

3）相比较简化等效气动载荷模型，Abaqus CEL流-固耦合模型可以较好地模拟气动载荷对整流罩分离过程的影响，为设计提供前期技术指导。

（References）

[1] CHENG S C. Payload fairing separation dynamics[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 1999, 36(4): 511-515

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[7] 张大鹏, 雷勇军, 柳海龙, 等. 大型柔性整流罩分离特点仿真分析[J]. 振动与冲击, 2015, 34(22): 115-120 ZHANG D P, LEI Y J, LIU H L, et al. Simulations and analyses on separation characteristics of large scale flexible fairing[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015,34(22): 115-120

（编辑：肖福根）

Simulation of the influence of aerodynamic load on fairing separation

ZHANG Gang, LIU Luguang, ZHAO Zhuomao, CAI Shaojia, ZHANG Jianhua
(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

In this paper, the horizontal falling of the fairing is simulated by the large-scale finite element software Abaqus with its CEL module. The influences of the aerodynamic load characteristics on the fairing separation are studied. Compared with the corresponding test, it is indicated that the calculated results are in good agreement with the measuredresults, and that the initial aerodynamic load because of the negative pressure seriously hinders the separation of the fairing, causing interference between the fairing and the payload. This simulation study provides a technical support for the ground test validation of future fairing separation research.

fairing separation; separation test; CEL algorithm; aerodynamic load; negative pressure

V411; O241.8

：A

：1673-1379(2017)03-0235-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.002

张 刚（1985—），男，硕士学位，主要从事结构动力学、冲击、分离力学环境试验等相关领域研究。E-mail:zg215@126.com。

2017-01-19；

2017-05-18

张刚, 刘陆广, 赵卓茂, 等. 气动载荷对整流罩分离特性影响的仿真计算研究[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(3)：235-240

ZHANG G, LIU L G, ZHAO Z M, et al. Simulation of the influence of aerodynamic load on fairing separation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 235-240