整流罩分离弹簧效能系数优化研究

李长龙，张 然，吕鹏伟，吴瀚枭，杨海鹏

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

中国现役长征系列液体运载火箭的整流罩均采用旋转分离方式，整流罩能否过顶以及过顶时刻的运动特性直接关系整流罩分离的可靠和安全性［1］。整流罩从开始分离到过顶通常只有不足2 s 的时间，在地面试验状态下，可以通过地面测量设备对整流罩的分离特性进行测量，但地面试验中大气环境对整流罩分离的影响无法定量获得，因此无法准确由地面分离试验的结果转化到飞行状态的结果。

整流罩分离属于多体动力学问题，可使用刚体或弹性仿真进行计算。弹性仿真可较为准确预示弹性变形和分离间隙。但使用弹性仿真一般较为耗时，为提高计算效率，通常采用简化计算，使用刚体假设进行分析，整流罩分离时处于真空环境忽略气动力影响，从而获得理论的整流罩分离特性参数。然而在真实的飞行状态下，多种干扰将会对整流罩的分离产生影响，使得实际仿真分析与飞行状态不一致，无法准确预示整流罩飞行过程中的分离特性，给任务的安全性评估带来一定的隐患［2-3］。为尽可能准确预示实际飞行情况，在仿真分析中设置弹簧效能系数，将摩擦、结构吸能等损耗统一由分离能源效能系数进行表征。目前研究人员对于整流罩分离开展了大量研究，但是天地一致性和效能系数等方面工作的开展有限，为实现准确仿真预示的效果，对该研究提出迫切需求。

通过在整流罩上搭载实时解算测量系统，首次获得运载火箭在飞行状态下整流罩的分离特性，通过将测量的整流罩分离参数映射仿真计算的分离弹簧系能系数上，达到仿真计算与飞行状态下整流罩分离的特性的一致，从而突破飞行状态下整流罩分离特性的瓶颈和认识盲区，有利于评估整流罩分离系统设计的合理和安全性。

1 整流罩分离计算数学模型

以火箭箭体作为参照系，分析整流罩分离过程。整流罩的分离过程可分为以下2个阶段：绕铰链的定轴转动阶段和铰链脱钩后的平面运动阶段。下面，针对定轴转动建立相应的数学模型。

1.1 定轴转动阶段

由于铰链的限制，整流罩第1阶段的运动为绕铰链的定轴转动，整流罩的受力情况如图1所示［4］。

图1 定轴转动阶段整流罩的受力状态Fig.1 The analysis of fairing constant axis rotation

根据受力情况，则有：

式中θ为半罩转过的角度；t为整流罩运动的时间；ω为半罩转动角速度；I0为半罩绕铰链轴的转动惯量；M0为整流罩所受力矩；ηe为弹簧效能系数，上天飞行弹簧取值是0.7；Fi为各弹簧弹力，i＝1～6；Ri为各弹簧距铰链的距离，i＝1～4；Fg为过载力；L为半罩质心到铰链距离；P为弹簧初始压缩量；K为弹簧刚度系数；Nx为过载系数；m为整流罩（半罩）质量。

联立以上各式，即可求得任一时刻的角速度ω和转角θ。

整流罩过顶之后，在惯性力作用下，整流罩的旋转角速度不断增大，则整流罩绕铰链旋转的离心力也不断增大，当惯性力不足以维持整流罩的转动时，整流罩脱钩。

1.2 脱钩条件

整流罩分离计算时需设置脱铰条件，当瓣罩运动参数满足下式时，整流罩铰链开始脱离转轴（简称脱钩），即铰链约束失效。

1.3 效能系数

效能系数表征整流罩分离过程中各项损耗对分离的影响。不考虑实际飞行中的能量损耗，分离前的弹簧势能与分离后的旋转动能和势能相同。但是实际损耗不能准确获取，因此在对整流罩作为刚体模型进行计算时，考虑铰链摩擦、对接面摩擦、瓣罩弹性吸能、弹簧安装基础结构的弹性位移等能量耗散对分离运动的负面影响，设置分离能源效能系数，一般设置为0.7。例如：分离弹簧建模时，将其设计推力乘以0.7，进行瓣罩分离仿真。

2 仿真分析

为了确保整流罩分离系统的正常工作，通常在型号研制过程中，开展整流罩分离多体动力学仿真计算。计算过程中输入整流罩的质量特性及分离弹簧的分布和弹簧力，并考虑铰链摩擦、对接面摩擦、瓣罩弹性吸能、弹簧安装基础结构的弹性位移等能量耗散对分离运动的负面影响，上述影响通过设置分离弹簧系数（即分离弹簧效能系数）加入到计算过程中。因此，整流罩分离的分离参数的精度取决于效能系数的选取。针对3.35 m 直径整流罩，安装12 根整流罩分离弹簧装置进行分离仿真计算，计算中效能系数为0.7，计算结果如图2所示。

图2 分离角速度曲线Fig.2 Seperation angular velicity curve

3 实测飞行结果

对整流罩在飞行、分离、再入过程中的详细信息进行分析，提取分离角速度，得出如图3所示的整流罩角速度曲线。整流罩分离仿真结果如表1所示。

表1 整流罩分离仿真结果Tab.1 Faring seperation simulation results

图3 整流罩角速度曲线Fig.3 Fairing seperation angular velicity curve

根据实测结果，整流罩过顶时，提取最低点的角速度，得出过顶时刻角速度为22.02（°）/s。

4 实测与仿真对比

根据实测分离角速度与仿真值进行对比发现，整流罩实际分离角速度大于仿真值，为对比分离弹簧效能系数的影响，本文选取不同效能系数对整流罩分离进行仿真，并与实测值进行对比，得出与实际值最接近的系数，如图4所示。不同效能系数下的整流罩分离情况如表2所示。

表2 不同效能系数下的整流罩分离情况Tab.2 Faring seperation results under different efficiency coefficient

图4 整流罩角速度仿真曲线Fig.4 Fairing seperation angular velicity simulation curve

通过选取不同的效能系数，可得效能系数取0.9～0.95时，过顶角速度与实测值基本吻合。实测值与仿真时相比，脱钩角速度大于仿真值，是由于整流罩脱钩时，飞行过载系数大于分离时刻的过载系数。实际飞行结果与仿真结果对比如图5所示。

图5 实际飞行结果与仿真结果对比Fig.5 Comparison between the actual flight results and simulation results

5 结束语

通过对运载火箭飞行过程中整流罩的分离特性进行分析，通过提取实测分离参数，对计算模型中的分离弹簧效能系数进行修正，进而准确地预示整流罩分离特征。通过对实测与仿真结果进行比对发现，在弹簧效能系数取为0.9～0.95时，仿真结果与实测结果基本吻合，因此在整流罩作为刚体进行计算时，可对弹簧效能系数进行修正，使得计算结果能够准确地预示实际飞行结果。通过实测角速度修正仿真用效能系数的方法是基于3发次3 350 mm直径无倒锥的整流罩实际飞行结果，虽然3发次的数据一致性较好，但后续还需进一步开展其他结构形式的整流罩搭载试验，开展更深入研究。