低温贮箱被动在轨非连接支撑结构力热特性仿真分析

郑正路，高子涵，吴胜宝，吴 琼，陈 龙

(1. 中国运载火箭技术研究院研究发展部，北京100076；2. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)

1 引言

低温推进剂具有比冲高、无毒、无污染的特性，对于大规模的空间任务采用低温推进剂，尤其是液氢/液氧推进剂能够显著降低飞行器的系统规模。 月球探测、火星探测等深空探测任务需要低温上面级在轨工作数小时到数天时间，其结构的漏热问题需要得到足够的重视[1-2]。 其中低温贮箱附属机械构件中支撑结构的漏热量占总漏热量的主要部分。 因此，支撑结构的力、热性能将对低温贮箱的正常使用起到重要的影响[3]。

针对低温贮箱支撑结构的漏热问题，NASA的研究人员率先提出了新型被动在轨非连接支撑结构(Passive Orbital Disconnect Strut，PODS)[4-6]。其原理是当载荷较大时，热量通过销和杆传递；而载荷变小时，销不再接触杆，热量仅通过杆传递，通过改变传热路径大大减少了贮箱的漏热量。 这种结构对于长期在轨低温上面级贮箱连接支撑结构(发射时承受较大载荷、在轨时基本不受载荷或载荷很小)非常适用。 近年来国内学者针对PODS 结构也开展了大量的研究，包括结构优化设计[7]、热传导分析[7]、热-结构耦合分析[8]、随机振动分析[9]、材料优化选择[10-11]等。 以上研究尚未对PODS 在不同载荷条件下带来的各部件受力情况、模态频率、刚度变化及热流传递路径情况开展系统分析。

本文针对PODS 结构不同状态下的强度、刚度、模态频率以及热传导路径开展仿真分析，得到PODS 结构在非接触和接触状态下的力、热特性。

2 PODS 结构方案及材料选择

2.1 结构组成及基本原理

PODS 主要包括冷端体和热端体2 部分。 其中冷端体部分主要由在轨管、冷端体、调节衬套、接触杆、小卡圈、接触螺母等组成。 冷端体右侧锥面、接触杆两侧锥面和接触螺母左侧的锥面是非接触的主要组成部分(图1)，在不同受力状态下存在不同的接触状态，从而改变了传力路径，如图2～图4 所示。

图1 PODS 结构组成图Fig.1 Structure composition of PODS

2.2 材料选择

对PODS 结构进行简化处理[10]，各部件选择材料如下：冷端关节轴承、螺母、接触杆、接触螺母、冷端体、大卡圈、小卡圈、调整衬套、长度调节杆、热端体等为殷钢；在轨管和发射管的材料为S-玻璃纤维/环氧树脂。 各材料相关参数如表1所示。

表1 材料主要性能参数Table 1 Main Performance parameters of materials

图2 非接触状态传力路径(状态1）Fig.2 The load-transferred path in disconnect status (status1）

图3 受拉状态传力路径(状态2）Fig.3 The load-transferred path in tension status (status2）

图4 受压状态传力路径(状态3）Fig.4 The load-transferred path in compression status (status3）

3 力学特性仿真分析

3.1 强度及刚度仿真分析

对PODS 结构一端固定，一端受轴向力，对该结构在-2000 N ～2000 N(负号为受压，正号为受拉)下的结构变形情况进行分析，拟合后曲线如图5 所示。 可以看出，无论是受压还是受拉状态，当压力/拉力小于700 N 时，PODS 结构处于非接触状态，整体刚度较小；当压力/拉力大于700 N 时，PODS 结构处接触状态，结构刚度发生明显增大。

图5 载荷-2000 N～+2000 N 变化时PODS 位移曲线Fig.5 PODS displacement curve when load is from - 2000 N～+ 2000 N

图6 为施加小于700 N 的载荷时PODS 结构应变云图。 当载荷较小时，由于接触杆与接触螺母之间有间隙，在轨管弹性模量相对较小，故在轨管变形较大。 在轨管的作用类似于高刚度的弹簧，传递杆上的主要载荷。 图6 可以看出，冷端体、接触杆和螺母之间没有传递力，力通过在轨管传递，并产生了弹性变形。

图6 载荷小于700 N 时的PODS 结构应变云图Fig.6 PODS strain nephogram when the load is less than 700 N

分别对PODS 结构施加大于700 N 的受拉和受压载荷。 当载荷大于700 N 且为受拉状态时PODS 结构接触杆右端面与接触螺母接触(图7)；载荷为受压状态时，PODS 结构接触杆左端面与冷端体接触(图8)，力的传递路径发生了变化，在接触状态下可以看到在轨管的应力分布较为均匀。

图7 拉力载荷大于700 N 时的PODS 应变云图Fig.7 PODS stress nephogram when tension load is greater than 700 N

图8 压力载荷大于700 N 时的PODS 应变云图Fig.8 PODS stress nephogram when compression load is greater than 700 N

具体分析PODS 结构在发射状态(即最大受拉/受压载荷条件)以及在轨状态时的受力情况，强度校核结果如表2 所示。 可以看出，在最大拉力/压力工况下，最大应力应变均发生在发射管，此时最大拉应力为822 MPa，最大压应力为715 MPa，均小于材料的强度极限。 而当载荷较小，即在轨状态，最大应力应变均发生在发在轨管。 以上结果进一步验证了当PODS 结构在接触状态下主要由发射管传递载荷，在非接触状态下主要由在轨管传递载荷。

3.2 模态分析

在3.1 节所述的边界条件下，针对接触状态和非接触状态进行PODS 结构模态仿真分析，。其前六阶模态频率如表3 所示。 可以看出，一阶和二阶模态频率以及三阶和四模态频率基本一致。 在非接触状态下，由于PODS 整体结构刚度较小，一阶和二阶模态频率较低；在接触状态下，PODS 整体结构刚度增大，尤其是前四阶模态频率有明显提高。

表2 各工况下强度校核结果Table 2 Strength check results under different conditions

图9 非接触状态时PODS 模态振型图Fig.9 PODS modal shapes in disconnected status

图10 接触状态时PODS 模态振型图Fig.10 PODS modal shapes in contact status

表3 前六阶模态频率Table 3 The first six order modal frequency

从非接触和接触状态的PODS 结构模态振型图(图9、图10)可以看出，非接触与接触状态的PODS模态振型比较相似，一阶振型均为左右摆动。 而三阶振型除了左右摆动，中间部分发生了扭动。

4 热仿真分析

依据2.1 节，PODS 总共分为3 种工作状态，不同工作状态下传热路径也会发生改变。 在仿真中只考虑热传导形式的热能变化，暂不考虑对流换热和辐射形式传热。 根据外界环境变化，假设PODS 温度场边界条件如下：冷端温度为2 K，热端温度为300 K，环境温度为273.15 K。

图11～图13 为3 种不同工作状态下的PODS的热传导路径。 可以看出，热流传递路径与2.1节传力路径基本相同，即非接触状态主要通过在轨管传热，而接触状态主要通过发射管传热。 通过热流密度转换求出非接触状态、受拉状态和受压状态的漏热量分别为0.114 W、0.142 W 和0.143 W，非接触状态下的漏热量较接触状态降低约20%。 这是由于在轨工况(状态1)下支撑结构传热路径要比发射工况(状态2 和状态3)下长，其等效热阻要大。

图11 非接触时热传导路径(状态1）Fig.11 Thermal conduction path in disconnect status(status 1）

图12 受拉时热传导路径(状态2）Fig.12 Thermal conduction path in tension status(status 2）

图13 受压时热传导路径(状态3）Fig.13 Thermal conduction path in compression status(status3）

5 结论

1)PODS 结构存在不同的工作状态，分别为受拉接触状态、受压接触状态和非接触状态，3 种不同的状态分别对应着不同的传力路径。

2)通过对PODS 进行静力分析，在非接触状态下，在轨管传递载荷，且此时结构刚度较低，模态频率较低。 当载荷增大至700 N 左右时，变为接触状态，主要由发射管传递载荷，此时结构刚度增大，模态频率提高。

3)通过热传导仿真分析可以看出，PODS 热传导路径与PODS 传力路径基本相同，且当PODS处于非接触状态时，由于传热路径增长，等效热阻大，其漏热量相比接触状态时减少20%左右。

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