[发明专利]一种大推力运载火箭低温末级贮箱连接支撑结构设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大推力运载火箭低温末级贮箱连接支撑结构设计方法，属于航天运输系统领域。

背景技术

研制新型大推力液体运载火箭，是我国航天运载技术发展的必然之路，也是支撑我国航天应用产业持续发展壮大的必要基础。低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染、价格相对低廉，同样的运载能力下，还能够有效减小整体运载火箭规模，被认为是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂，国内外运载火箭末级和上面级广泛采用低温推进剂，新型大推力运载火箭末级也将采用低温贮箱。

然而，由于低温推进剂沸点低(液氢为20K，液氧为90K)，受热易蒸发，因此空间太阳辐射、地球辐射等热源使得低温推进剂的空间长期贮存和应用受到极大限制。低温连接支撑结构作为向低温贮箱内推进剂传递热量的主要途径之一，需要对其结构形式进行合理设计并尽量选择低导热率材料以满足传热要求，同时大推力运载火箭对于连接支撑结构承受的载荷提出了更高要求，需要满足相应的强度要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种大推力运载火箭低温末级贮箱连接支撑结构设计方法。

本发明的技术解决方案是：

一种大推力运载火箭低温末级贮箱连接支撑结构设计方法，具体步骤为：

步骤一，选材：对强度较大的铝合金、不锈钢及钛合金金属材料以及低导热率的玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料在低温区的纵向拉伸强度和导热率进行对比，在20K-90K的低温区选取导热率与纵向拉伸强度的比值小于0.001W/(m·K)/MPa的材料，之后在选出的材料中选择拉伸强度至少为1000MPa和导热率不超过0.8W/(m·K)的材料；

步骤二，初步结构设计：连接支撑结构连接液氢贮箱和液氧贮箱，为减小空气阻力，设计成回转体，同时为了便于承受百万牛级的轴向拉力和压力载荷和传递热量，可将其设计成壳段结构和杆系结构两大类五种初步结构，即一种壳段结构和四种杆系结构；

步骤三，强度及重量分析：对步骤二中确定的初步四种杆系结构施加百万牛级的轴向拉力和压力载荷，进行拉伸应力、压缩应力分析，判断其最大拉伸应力是否小于材料的拉伸强度，最大压缩应力是否小于材料的压缩强度，同时对整个结构的稳定性进行分析，判断其屈曲因子是否大于预先给定的1-2的安全系数，若不满足拉伸应力、压缩应力和屈曲因子预期的任一条件，则修改初步结构，直至满足条件后，进行重量分析，以重量最小为该结构形式中的最优结构；设置步骤二中确定的壳段结构的重量与上述杆系结构确定的最小重量结构的重量一致，对壳段结构及重量最小的杆系结构进行强度对比，选出一种或多种结构；

步骤四，热分析：对步骤三中优选的结构进行热分析，通过傅立叶定律计算，对比各类结构的热流量，选取传递热流量最小的结构为最优结构。

所述壳段结构设计为，由薄板和加筋构件组成的薄壁结构，壳段上端面与一个贮箱的短壳连接，壳段下端面与另一个贮箱的短壳连接。

所述杆系结构设计为，由上端框、杆系以及下端框组成，上端框与一个贮箱的短壳连接，下端框与另一个贮箱的短壳连接，中间为主要承力和传热的杆系，杆系设计有V型10杆结构、V型20杆结构、X型8杆结构及X型12杆结构。

V型杆系的两根单独杆呈现V型，一头的两端连与一处，与一个端框连接，另一头的两端呈一定角度分开，与另一个端框连接，两对V型杆系呈现出W型，进而顺沿连接支撑结构的形式进行头尾相接。

X型杆系的两根单独杆交叉形成一定角度，一头的两端连接于上端框，另一头的两端连接于下端框，依次顺沿连接支撑结构的形式进行头尾相接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过方法优化，将高强度的碳纤维复合材料用于运载火箭低温贮箱的V型20杆结构设计中，满足大推力运载火箭上升段的大载荷要求；

(2)本发明通过方法优化，利用碳纤维复合材料在超低温区(20K)条件下的低导热率，满足导热系数与强度比值小于一定量，有效阻隔热流传递。

附图说明

图1为本发明壳段结构示意图；

图2为本发明V型10杆连接支撑结构示意图；

图3为本发明V型20杆连接支撑结构示意图；

图4为本发明X型8杆连接支撑结构示意图；

图5为本发明X型12杆连接支撑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明进行详细说明。

第一，选材

基于强度与导热率之比，进行适合温区的材料选择。