近日,中科宇航在研的中型液体运载火箭力箭二号多机并联热环境辨识与防护/承载一体化结构热烧蚀试验取得圆满成功。
多机并联火箭飞行时箭体底部流场分布极其复杂,且随飞行高度变化而变化。随之带来的箭体底部热环境极为恶劣,对箭体底部热环境辨识的准确性将直接影响火箭底部防热结构设计的正确性。如果防热设计考虑不足,飞行过程中舱外结构可能发生烧蚀,影响飞行成败;如果设计过于保守,又会使得结构偏重,不利于火箭运载性能提升。
力箭二号作为通用芯级捆绑构型火箭,比常规芯级火箭具有更高的热流。一级采用9台85吨级发动机,一、二级分离高度较高,一级发动机喷流在分离前的很长一段时间内会发生较为干涉现象,使箭体底部热环境达到较为严峻状态。通过对多机并联热环境进行仿真,精确辨识出底部热流条件。先进热防护技术是多机并联火箭和可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,中科宇航结构团队设计了一种结构防热/承载一体化热防护系统,进行了代表性高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理:1)施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。针对一级底部最大压差为20KPa,方向轴向朝下的要求,经过热环境下的多个试板测试,结果表明,拉伸强度>20MPa,模量>6GPa,通过计算能够满足最大压差为20KPa的使用要求。2)复合材料一体化热防护系统在高温环境下发生烧蚀相变过程,耗散掉部分外界气动加热,从而大大减少了进入防热层内部的热流,烧蚀试验后碳化率<5%,通过实际温度测量,一体化结构背温低于55℃,验证了方案合理性,表明能够满足实际热环境要求,也避免了结构在力耦合作用下因烧蚀造成脱落的风险。3)在运载火箭典型热载荷作用下,复合材料一体化热防护系统的背面空气温度不高于25℃,保证了尾段舱体内设备的正常工作温度环境。4)一体化防热结构面密度13kg/m2,在满足防热与承力两方面要求的前提下,与传统设计方案相比,减重效果明显,有望成为可重复使用运载火箭大面积防热区域的理想备选热防护结构方案。