整流罩保温仓体的结构设计

整流罩保温仓体的结构设计

整流罩作为飞行器发射过程中的关键结构，主要作用是保护内置

飞行器不受到气动力的干扰与气动加热的影响，当整体飞行至预定高

度后，整流罩必须快速稳定分离。在分离过程中，分离机构起到了至

关重要的作用，若分离冲击过载强烈，分离力会引起整流罩的振动，

将会导致罩底端锁紧销提前断裂，造成整流罩无法正常分离，甚至会

在气动力的作用下，发生与箭体的碰撞，因此，整流罩分离过程的稳

定性与柔顺性至关重要。传统的分离触发装置以爆炸螺栓为主，解决

大冲击分离载荷的方法主要有经验公式法、统计能量法、有限元方法。

但由于计算精度低、输入未知参数过多、安全性较差及爆炸污染等缺

点往往不能很好地满足工程需求。

针对飞行器分离过程快速稳定性与低冲击过载的需求，基于正弦

加速度函数曲线平顺性原理，提出一种的旋转滚动柔顺解锁分离机构,

并开展力学特性分析，建立分离机构力学模型，根据库仑摩擦定律与

三维不可压定常连续方程，构建整流罩分离过程中气动力模型、柔顺

解锁分离力矩模型以及摩擦力模型之间的力学关系，采用有限体积法

与有限元法，对该机构的在气动力作用下的分离动力学特性开展分析,

获得该机构在气动力作用下分离过程的动态力学特性。结果证明，所

提出的旋转滚动柔顺分离机构满足低冲击柔顺分离需求，为新型飞行

器分离装置研制提供技术参考。

2分离机构组成与工作原理

2.1解锁分离机构组成

解锁分离机构是实现整流罩快速稳定分离功能的重要装置，本文

所设计分离机构主要由主动组件和被动解锁组件两部分组成。其中，

主动组件安装于右侧整流罩顶端，被动组件相对应地安装在左侧整流

罩顶端，安装位置如图1(a)所示，锁紧状态如图1(b)所示。主动

组件包括主动轮、分离杆支座和分离杆、驱动轮等4组构件，主动轮

通过法兰盘与卡簧实现与整流罩固连；被动组件包括凸轮销、固定销

和被动盘等3组构件。解锁分离过程为：驱动轮在电机的转矩作用下

做逆时针转动(以右视图为基准)，带动主动轮顺时针转动，在分离

杆支座的紧固下，分离杆做同步顺时针转动，分离杆与凸轮销上的分

离槽为间隙配合，在分离杆的旋转挤压力作用下，固定销实现与固定

孔的分离，解锁分离过程完成。

图1解锁分离机构示意图

Fig.1Diagramofseparationmechanism

分离冲击过载直接影响飞行部件的安全性以及分离后的飞行姿态

稳定性，为进一步保证整流罩分离速度与加速度不产生突变，创新性

地提出并采用正弦加速度函数曲线作为滑槽的包络轨迹，如图2所示。

图2凸轮槽正弦曲线

Fig.2Sinecurveofcamgroove

曲线近似表示为[15]

I)

式中，口为轨迹实时高度；□为轨迹总高度；□为轨迹实时水平位移；

.为轨迹水平总长度。

2.2解锁分离机构原理

在发射前，主动轮通过输入力矩逆时针旋转至凸轮槽底部，固定

销进入固定孔，凸轮销与分离杆的紧密锁止配合，保证轴向的稳定性，

四组对称分布的固定销保证垂直于轴向平面内的稳定性，整流罩完成

锁紧过程；在分离开始时，主动轮在解锁力矩的作用下，顺时针快速

旋转，分离杆在凸轮槽内的转动挤压，迫使被动盘分离，固定销与固

定孔完成分离，整体分离工作完成，在此过程中，凸轮槽包线为正弦

加速度函数特性，因此，整流罩的整段分离任务的分离速度、分离加

速度无明显突变，满足了低冲击柔顺分离的任务需求。

3解锁分离机构力学模型

首先，根据整流罩的飞行工况进行气动载荷分析，采用SST模型

获得整流罩在典型工况下的气动作用力，作为解锁分离机构的外部边

界条件。结合低冲击柔顺分离任务的需求，设计解锁分离机构的结构

模型，根据结构模型分析解锁分离过程的工作原理，采用库仑摩擦定

律建立解锁机构的摩擦里力模型与解锁力矩模型，通过三组力学模型

的关联，判断分离机构在气动力作用下是否满足解锁分离条件。采用

有限元方法进一步对结构受力区域进行力学特性分析，验证分离结构

力学属性是否满足材料属性，最后，对分离机构开展分离动力学仿真

分析，通过对分离轨迹、分离速度与分离加速曲线分析，验证所设计

的分离机构满足需求。分析流程如图3所示。

图3分离机构设计分析流程图

Fig.3Separationmechanismdesignanalysisprocess

31整流罩气动力特性分析

整流罩分离过程中受到气动力与气动力矩的作用，本文气动载荷

计算采用不可压定常三维连续方程和动量N-S方程，笛卡尔坐标系下

的表达式为

2)

式中,u、v、w分别为x、y、z3个坐标方向的流速；P为流体密

度；口为流体黏性系数；p为流体压力；为Laplace算子。

3.2固定销摩擦力模型

分离过程中，整流罩在解锁推力的作用下相互分离，固定销与固

定孔产生的摩擦力将阻碍整流罩分离运动，设整流罩上固定销数量为n,

Ox为某一固定销在分离面位置，固定销与固定孔的受力状态如图4所

不。

图4固定销与固定孔的受力分析

Fig.4Forceanalysisoffixingpinandfixinghole

在整流罩质心坐标系Ocxcyczc下全部摩擦力为

3)

式中，’为第i个固定销提供的摩擦力。

在分离过程中，固定销产生的力矩为

4)

式中「为固定销对整流罩质心产生的力矩；为固定销横截面

的内力矩。

固定销摩擦力对整流罩质心产生力矩为

5)

式中，为质心Oc(xco,yco,zco)至UOx(xox,yox,zox)

的矢径，表示为

6)

整流罩气动力所产生的外力矩与固定销的内力矩平衡方程为

7)

式中，’为气动力相对整流罩质心作用力矩，表示为

8)

由于固定销在yz平面内无扭矩，摩擦力产生内力矩为

9)

根据库仑摩擦定律，任意固定销所受摩擦力为

10)

式中，为动摩擦系数；为固定销正压力；带入式（9）中有

11)

设每组固定销提供的内力矩相同，n组固定销的内力矩为

12)

式中，n为固定销数量；〕为固定销剩余留孔长度。

式（9）与式（11）数值恒等，求得固定销正压力存在的必要条

件为

13)

同时，整流罩分离的必要条件为

14)

3.3解锁力矩与摩擦力之间的关系

解锁分离机构的力学模型，如图5所示，其中，图5(a)为任意

时刻分离杆受力状态，图5(b)为相同时刻被动盘受力状态。

图5解锁分离机构受力分析模型Fig.5Forceanalysismodelof

unlockingseparationmechanism

分离杆所受力方程为

15)

式中，口为分离杆所受固定力在X方向的分量；二为分离杆

所受固定力在Y方向的分量；为分离杆所受固定力矩；’为分离

杆所受支撑力；为分离杆所受摩擦力；口为滑槽任意时刻下的水平夹

角。

根据分离杆实际运动状态，可知解锁条件为

16)

解锁力矩由图2中分离杆支架提供为

17)

式中，.为解锁力矩；R为分离杆长度。

解锁被动盘在分离杆的旋转推动下，所受力方程为

18)

式中，.为解锁被动盘所受固定力度x方向的分量；.为解

锁被动盘所受固定力在Y方向的分量,解锁被动盘所受固定力矩;

.为滑槽所受正压力；.为滑槽所受摩擦力；为.至被动盘原点距

离；〔为口至被动盘原点距离。

根据分离杆实际运动状态，可知被动盘解锁条件为

19)

3.4动力学特性分析

针对解锁机构实际工况下的分离特性，开展整流罩气动力特性分

析、固定销力学特性分析与解锁机构分离动力学分析。

3.4.1气动力特性分析

通过Fluent气动仿真分析平台，大气模型采用MenteFsSST湍流

模型，流体速度为Vf=500m/s,飞行攻角范围为0。，仿真结果表明,

整流罩气动升力载荷为120.9N,仿真计算结果如图6所示。

图6整流罩仿真压力云图

Fig.6Fairingsimulationpressurecloudimage

3.4.2固定销力学特性分析

为保证分离机构在全工况下不发生接触变形，最大接触应力应该

小于材料的许用应力。因此，分析在最大实际作用力下的固定销力学

特性。固定销材料选为7075铝合金，材料参数如表1所示。

表1材料参数Table1Parameterofmaterial

建立分离机构的有限元模型，施加所受的气动阻力作为初始力学

边界条件，仿真分析全结构在外力作用下的应力分布状态，计算结果

如图7所示。计算结果表明，全局最大应力结构为分离杆，最大应力

发生在分离中段，即凸轮槽的中间位置，最大应力为121MPa,满足材

料力学性能