测试 新一代 火箭

mini

测试新一代火箭

结构分析可为分析火箭发动机的测试设备提供额外支持。

作者：Vladimir Tkach，应力工程总监；Alexander Milov，首席应力工程师；Alexander Loshkarev，首席应力工程师；Denis Merzljakov，首席应力工程师，俄罗斯希姆基市NPO Energomash公司

空间探索正在进入一个振奋人心的新时代。随着印度和中国积极发展太空项目以及SpaceX等商业公司成功崭露头角，传统的空间探索国家不难发现，目前太空竞赛的焦点是以极具竞争力的价格提供更大的有效载荷。
位于莫斯科西北部的NPO Energomash，在成功地开创性研究、研发和部署液体推进剂火箭发动机(LPRE)方面有着辉煌的历史。自太空时代初期以来，该公司的技术就一直为运载火箭提供动力支持。这其中包括1957年运载第一颗人造卫星“Sputnik 1”的火箭，1961年运载第一颗载人宇宙飞船“Vostok 1”的火箭，以及长期服役、如今仍为国际空间站运输人员和货物的联盟号(Soyuz)飞船。NPO Energomash研发出RD-170及其变体在内的多个类别的发动机，能为空间运载火箭提供有史以来的最大发动力推力。
现代化的RD-171发动机是一种四推力室LPRE，它以煤油和液态氧为燃料，用于为陆基和海基发射Zenit类飞船的第一级捆绑式助推器提供动力。该发动机可提供高达800公吨力（175万磅力）的推力，相对于其他类型的运载火箭而言，能降低Zenit每次发射时有效载荷重量的成本。然而，未来的重型运载火箭要求能够将质量更大的火箭发射到近地轨道或更远的轨道。
为满足未来的这些需求，NPO Energomash一直在设计一种更大功率的LPRE，能提供1,000公吨（220万磅）的推力。与其花费数百万美元来购买和构建新的测试设施，该组织机构认为分析现有的测试基础设施更为合理；该公司之前为RD-171设计了一个水平的测试台力测量系统。在新原型试射之前，该公司的应力工程师需要评估现有测试台所能够承受的更大推力产生的力。该团队使用ANSYS Mechanical APDL对测试台系统开展静态强度分析。
出于结构仿真的目的，该测试台被细分为许多不同的承重框架、输送带、杆、螺栓和销，以确定在加载更大功率的发动机时该结构是否满足俄罗斯联邦航天局(Roscosmos)要求的安全系数。两个载荷条件分别是额定推力105%的应急推动力（1,050公吨力）以及发动机关闭时的惯性反击或后座力。测试台的静止部件主要由两个最大的框架组成，它们通过销连接到永久固定在地面上的载荷承载环。测试台的可移动部件是其余的框架、输送带、杆和栓，并通过弹簧和力传感器系统与静止部件相连。这些连接器允许可移动部件在水平(x)方向上沿着静止部件滑动。

在新原型试射之前，NPO Energomash的应力工程师需要评估现有测试台所能承受的更大推力产生的力。

NPO Energomash团队使用SHELL181单元虚拟地表示最大的框架部件，用BEAM188单元表示较小的框架和框架腿。只允许拉伸或压缩的LINK8杆状单元则用于代表发动机框架、输送带、传感器、销和大部分的杆。工程师使用CERIG刚性连接来表示发动机的重心和通过平衡环与发动机框架相连的四个喷嘴中心。根据经验，该团队知道最大应变和变形集中在框架的焊接区域，因此根据这些区域来评估部件的强度是合理的。因为焊缝金属在强度上弱于构成框架的钢板，从保守的角度来看，该团队需要在结构分析中使用两种变体：第一种是使用钢属性建模的框架；第二种是使用焊缝金属属性建模的框架。
若要使用两步仿真流程，该团队首先需要假定线性弹性状态而进行应力分析。在检测出最大应力集中的区域后，工程师可开展网格加密研究，然后对这些区域的应力—应变行为进行非线性弹塑性计算。利用多个承重部件的对称性可减少部分计算成本。若使用八核的桌面计算机，典型的线性静态分析可在五分钟或更短时间内完成，而考虑材料塑性的典型非线性分析可在30分钟内完成运行。总体而言，工程师花费三个月完成了大约100个单独仿真的计算和报告准备工作。

对于深知时间、资金以及声望是公司价值所在的现代设计工程师而言，ANSYS技术是极为重要的工具。

采用ANSYS结构力学软件所进行的预测表明了，已展开研究的所有测试台部件将能承受发动机推力带来的1,050公吨力和后续发动机关闭所产生的后坐力。然而，许多部件未能满足俄罗斯联邦航天局提出的储备因数，即需要比预计的最大设计载荷高出50%到60%的载荷能力。NPO Energomash工程师使用这些信息为存在问题的具体框架、杆、螺栓和销设计进行加固修改。通过分析大量潜在的加固修改备选方案，该团队正在优化这个准备用于新LPRE试射的原型测试台。
该公司认为，对于深知时间、资金以及声望是公司价值所在的现代设计工程师而言，ANSYS技术是极为重要的工具。仿真结果让测试台设计人员充满信心，他们的力测量系统能够满足新一代火箭发动机的测试需求。

仿真结果让测试台设计人员充满信心，他们的力测量系统能够满足新一代火箭发动机的测试需求。