整流罩有效負(fù)載填充效應(yīng)變化規(guī)律及形成機(jī)理研究

鄭玲　陳嬡嬡　鄧杰　向樹紅　方貴前　李曄

摘要：針對(duì)有效負(fù)載填充導(dǎo)致的運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)部局部聲壓級(jí)增大現(xiàn)象即填充效應(yīng)問題，采用三明治夾芯板理論，建立了整流罩及負(fù)載的等效模型，利用FE-BEM和SEA法分別對(duì)運(yùn)載火箭整流罩的低、高頻段內(nèi)聲場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了負(fù)載體積比和負(fù)載形狀對(duì)填充效應(yīng)的影響，從模態(tài)頻率的角度對(duì)填充效應(yīng)的形成機(jī)理及變化規(guī)律進(jìn)行了解析。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明：填充效應(yīng)與聲振耦合作用引起的聲學(xué)模態(tài)頻率偏移有關(guān)，低頻偏移幅度比高頻更大，低頻填充效應(yīng)更加明顯；填充負(fù)載體積比直接影響模態(tài)偏移的幅度，填充效應(yīng)隨負(fù)載體積比的增大而增大?；贔E-BEM及SEA的數(shù)值計(jì)算方法為有效負(fù)載填充效應(yīng)的預(yù)測(cè)提供了分析手段。

關(guān)鍵詞：整流罩；運(yùn)載火箭；聲壓級(jí)；有效負(fù)載；填充效應(yīng)

引言

運(yùn)載火箭在飛行過程中，由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)高速射流噪聲和氣動(dòng)噪聲的影響，使整流罩內(nèi)部的聲場(chǎng)環(huán)境變得非常惡劣。在進(jìn)行地面聲學(xué)測(cè)試時(shí)，人們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星負(fù)載填充整流罩時(shí)，整流罩內(nèi)會(huì)出現(xiàn)局部聲壓級(jí)增大的現(xiàn)象，可高達(dá)10 dB。這種由于裝入有效負(fù)載而引起運(yùn)載火箭整流罩或航天飛機(jī)貨艙的內(nèi)部聲壓級(jí)變化的現(xiàn)象被稱為填充效應(yīng)，聲壓級(jí)變化的差值即為填充效應(yīng)的大小，它是填充因子（有效負(fù)載與整流罩或貨艙體積之比）與頻率的函數(shù)。在航天領(lǐng)域，聲環(huán)境試驗(yàn)是按未填充的（即空的貨艙或沒有有效負(fù)載的整流罩）環(huán)境確定的，由于有效負(fù)載的安裝會(huì)引起整流罩內(nèi)部聲壓級(jí)變化，因此考慮有效負(fù)載對(duì)整流罩內(nèi)部聲環(huán)境產(chǎn)生的影響，即填充效應(yīng)的影響，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)估有效載荷的聲學(xué)試驗(yàn)環(huán)境，制定科學(xué)合理的地面聲學(xué)試驗(yàn)條件和規(guī)范具有重要意義。

早在1980年，美國(guó)航空航天局就針對(duì)填充效應(yīng)問題進(jìn)行了一系列研究性試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試了4種形狀、大小和容積不同的有效負(fù)載對(duì)整流罩內(nèi)聲壓級(jí)的影響，并且在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了整流罩填充效應(yīng)理論預(yù)測(cè)模型，制定了關(guān)于整流罩填充效應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NASA-STD-7001A，但這種模型在低頻時(shí)預(yù)測(cè)能力較差。Terry等利用SEA法，對(duì)有效負(fù)載的填充效應(yīng)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于填充效應(yīng)的存在，的確會(huì)使整流罩內(nèi)間隙聲壓級(jí)增大，但能否用于預(yù)測(cè)負(fù)載的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，仍是一個(gè)值得懷疑的問題。Nagahama等利用有限元/邊界元法對(duì)這種局部聲壓級(jí)變化的機(jī)理和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，結(jié)合聲學(xué)測(cè)試和振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是氣體的聲學(xué)邊界條件而并非結(jié)構(gòu)振動(dòng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)填充效應(yīng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)耦合面上振動(dòng)響應(yīng)的增大。Engberg，Gruszka等研究了不同直徑大小負(fù)載的填充效應(yīng)，證明幾何形狀是影響填充效應(yīng)的重要因素。

可見，盡管人們從不同的角度研究了填充效應(yīng)，但現(xiàn)有的填充效應(yīng)理論預(yù)測(cè)模型，在低頻段預(yù)測(cè)能力仍然不理想，亟待采用更為準(zhǔn)確的理論預(yù)測(cè)模型或數(shù)值計(jì)算方法，來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)低頻段或全頻段的填充效應(yīng)，為在填充效應(yīng)NASA STD-7001A標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步修訂提供理論依據(jù)。

本文采用FE-BEM（有限元-邊界元法）和SEA（統(tǒng)計(jì)能量法）相結(jié)合的方法，對(duì)某型運(yùn)載火箭整流罩的有效負(fù)載填充效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，研究了負(fù)載體積比及幾何形狀對(duì)填充效應(yīng)的影響，揭示填充效應(yīng)的形成機(jī)理及變化規(guī)律，為有效負(fù)載填充效應(yīng)的預(yù)測(cè)分析和地面聲學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供理論依據(jù)。