火箭結(jié)構(gòu)估重與總體優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

徐 倩，顧名坤，容 易，張 薇，趙 婷

(1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

結(jié)構(gòu)估重是航空航天等領(lǐng)域大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，從型號(hào)設(shè)計(jì)初期就介入總體方案論證，此時(shí)設(shè)計(jì)人員還不具備條件開(kāi)展具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此，即使對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師而言也是不小的挑戰(zhàn)。航空歷史上曾出現(xiàn)過(guò)多次飛機(jī)結(jié)構(gòu)超重事件[1]，著名的波音747和空客A380也不能幸免[2]，洛克希德-馬丁公司曾宣布暫停F-35項(xiàng)目的研制工作，主要原因也是估重問(wèn)題[3]?；鸺傮w構(gòu)型論證中這類問(wèn)題也很突出，若前期估重過(guò)于冒進(jìn)，后期型號(hào)可能不得不修改方案或開(kāi)展大規(guī)模減重設(shè)計(jì)更改；而若估重過(guò)于保守，則會(huì)造成系統(tǒng)性能指標(biāo)不具備競(jìng)爭(zhēng)力。

當(dāng)前火箭新型號(hào)論證中尚無(wú)快速、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)估重方法，結(jié)構(gòu)質(zhì)量分配不能預(yù)示載荷變化對(duì)運(yùn)載能力的影響規(guī)律。結(jié)構(gòu)估重和運(yùn)載能力評(píng)估的迭代論證協(xié)調(diào)鏈路較長(zhǎng)，論證效率較低，不利于總體方案的快速迭代優(yōu)化。陳偉俊等[4]在2020年曾嘗試建立火箭梁?jiǎn)卧Ｐ图拜d荷邊界條件形成火箭簡(jiǎn)化力學(xué)模型，并開(kāi)發(fā)軟件用于快速計(jì)算結(jié)構(gòu)載荷及質(zhì)量。該方法雖然將結(jié)構(gòu)質(zhì)量與載荷條件關(guān)聯(lián)起來(lái)，但簡(jiǎn)化的梁?jiǎn)卧Ｐ鸵廊粺o(wú)法準(zhǔn)確預(yù)示實(shí)際火箭部段結(jié)構(gòu)形式的質(zhì)量。

對(duì)于重復(fù)使用火箭和超大尺寸重型火箭這類突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和尺寸規(guī)模的新型火箭，傳統(tǒng)質(zhì)量分配方法誤差可能非常大。為此，本文提取典型結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵尺寸特征，建立火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量參數(shù)化模型，依據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)理論進(jìn)行載荷校核，開(kāi)發(fā)基于載荷變化的全箭結(jié)構(gòu)估重平臺(tái)并嵌入總體設(shè)計(jì)回路中形成總體估重?cái)?shù)字化模塊。結(jié)構(gòu)估重平臺(tái)凝練了結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵要素，等同于將結(jié)構(gòu)精算工作提前并取代粗算，將原來(lái)的人力設(shè)計(jì)、分析校核和匯總傳遞工作全部實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化，解算速度呈量級(jí)提高，可以更為快速準(zhǔn)確地預(yù)示結(jié)構(gòu)質(zhì)量，更好地服務(wù)于總體方案論證。基于該模塊還可以開(kāi)展與結(jié)構(gòu)質(zhì)量相關(guān)的總體方案影響分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 火箭結(jié)構(gòu)估重流程

傳統(tǒng)運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)模式下，總體運(yùn)載能力優(yōu)化論證時(shí)，需要通過(guò)總體方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)開(kāi)展多輪迭代，才能確定最優(yōu)的總體設(shè)計(jì)方案，具體流程見(jiàn)圖1，論證鏈路較長(zhǎng)，效率較低[5]。

圖1 基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)估重的總體論證Fig.1 Overall scheme argumentation based on traditional structural weight estimation

我國(guó)運(yùn)載火箭經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)估重?cái)?shù)字化實(shí)現(xiàn)具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)。首先，箭體結(jié)構(gòu)形式基本相同，殼段通常為蒙皮桁條半硬殼式或夾層結(jié)構(gòu)，貯箱短殼通常為正置正交網(wǎng)格，貯箱筒段通常為等邊三角形或光筒，箱底通常為橢球底。其次，結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)理論成熟，研制過(guò)程中積累了大量的知識(shí)，形成了材料庫(kù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)[6-8]，為快速估重計(jì)算數(shù)字化模塊開(kāi)發(fā)提供了良好的技術(shù)支撐。估重平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線見(jiàn)圖2。通過(guò)該技術(shù)路線，可將結(jié)構(gòu)質(zhì)量相關(guān)的總體方案論證工作閉環(huán)在總體方案設(shè)計(jì)層內(nèi)部，縮短設(shè)計(jì)鏈路，提升論證效率，估重平臺(tái)作為總體估重?cái)?shù)字化模塊在總體設(shè)計(jì)回路中的鏈路關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖2 估重平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線Fig.2 Technical route of the weight estimation platform

圖3 基于估重?cái)?shù)字化模塊的總體論證Fig.3 Overall scheme argumentation based on structural weight estimation digital module

結(jié)構(gòu)估重平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)路線的核心是：

1)載荷處理；

2)結(jié)構(gòu)參數(shù)化表征；

3)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及優(yōu)化。

載荷處理即根據(jù)結(jié)構(gòu)承載特點(diǎn)確定用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度校核的最大載荷工況，可能是一個(gè)或多個(gè)。載荷文件一般按照分站位置和特征時(shí)刻以數(shù)表的形式給出。人工載荷處理較多的依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，從大量的數(shù)據(jù)中選取若干可能的最大工況，最忌遺漏工況。載荷的數(shù)字化處理可以很好

地解決這個(gè)問(wèn)題，只需約定好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取的格式，就可以讀取所有載荷工況并進(jìn)行排序，確定最大工況。

結(jié)構(gòu)參數(shù)化表征是結(jié)構(gòu)估重?cái)?shù)字化的關(guān)鍵。依據(jù)現(xiàn)有工程技術(shù)基礎(chǔ)，提煉出結(jié)構(gòu)主承載形式的數(shù)字化表征，詳見(jiàn)后文參數(shù)化建模部分。相比火箭梁?jiǎn)卧Ｐ偷群?jiǎn)化方式，本文提出的方法更接近真實(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，僅忽略了一些不影響承載和估重精度的細(xì)節(jié)，例如結(jié)構(gòu)上的局部開(kāi)口和安裝支架等，完全可以滿足總體方案設(shè)計(jì)需求，且求解速度為秒級(jí)。

結(jié)構(gòu)參數(shù)確定及優(yōu)化的依據(jù)是載荷校核情況。將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程抽象為含約束的優(yōu)化模型，其設(shè)計(jì)變量為上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，約束條件為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度等設(shè)計(jì)要求，目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

估重平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)上述3大核心技術(shù)的基礎(chǔ)上整合結(jié)構(gòu)質(zhì)量之外的火箭各系統(tǒng)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)全箭質(zhì)量管理，并擴(kuò)展功能，使其便于可視化操作、方案對(duì)比及推廣應(yīng)用。

2 估重平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 估重平臺(tái)功能

為滿足運(yùn)載火箭構(gòu)型論證階段快速估重需求，估重平臺(tái)要求能夠依據(jù)輸入載荷條件，給定的整體尺寸參數(shù)及選定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，給出相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度系數(shù)，并計(jì)算得到各部分結(jié)構(gòu)的質(zhì)量特性，最終疊加給出火箭整體質(zhì)量特性。估重平臺(tái)功能描述如下：

1)依據(jù)主要輸入數(shù)據(jù)，比如加注量、直徑、軸壓、彎矩、內(nèi)壓等參數(shù)，估計(jì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2)給出滿足強(qiáng)度和剛度等設(shè)計(jì)條件的貯箱和艙段的結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量特性。

3)參數(shù)化建模，可以輸入不同的條件和有關(guān)約束，獲得更新的結(jié)構(gòu)形式和估重結(jié)果。

4)提供不同結(jié)構(gòu)形式、材料等選項(xiàng)，可以通過(guò)選擇不同的材料、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)形式等獲取相應(yīng)的估重結(jié)果。

5)進(jìn)行質(zhì)量管理，除全箭主結(jié)構(gòu)外，還對(duì)部分直屬件、電氣產(chǎn)品和動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行管理，綜合計(jì)算全箭質(zhì)量特性。

2.2 估重平臺(tái)構(gòu)架

為了保證系統(tǒng)的實(shí)用性和通用性，同時(shí)也便于使用和維護(hù)，估重平臺(tái)采用分層架構(gòu)思想，主要分為3個(gè)層次：表示層、功能層和數(shù)據(jù)層。

3個(gè)層次之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 估重平臺(tái)構(gòu)架Fig.4 Frame of the weight estimation platform

1)表示層：包括模型可視化、參數(shù)輸入可視化、分析結(jié)果可視化和任務(wù)結(jié)構(gòu)可視化等模塊。

2)功能層：包括參數(shù)化建模模塊、任務(wù)設(shè)計(jì)與分析模塊、質(zhì)量合成模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。

其中，參數(shù)化建模模塊分為貯箱參數(shù)化建模、整流罩參數(shù)化建模、典型殼段參數(shù)化建模、承力尾段參數(shù)化建模；任務(wù)設(shè)計(jì)與分析模塊分為貯箱任務(wù)設(shè)計(jì)與分析、整流罩任務(wù)設(shè)計(jì)與分析、典型殼段任務(wù)設(shè)計(jì)與分析、承力尾段任務(wù)設(shè)計(jì)與分析；質(zhì)量合成模塊分為組件質(zhì)量合成、子級(jí)質(zhì)量合成、全箭質(zhì)量合成、全箭質(zhì)量管理；數(shù)據(jù)庫(kù)模塊包含材料數(shù)據(jù)庫(kù)、構(gòu)型質(zhì)量特性數(shù)據(jù)庫(kù)。

3)數(shù)據(jù)層：包括求解參數(shù)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果數(shù)據(jù)、其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 參數(shù)化建模

為了準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸特征，對(duì)火箭整流罩、貯箱、錐段、筒段殼體和承力尾段均進(jìn)行參數(shù)化建模。以典型結(jié)構(gòu)形式為例，對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行介紹。

2.3.1 整流罩端頭帽參數(shù)化

整流罩端頭帽參數(shù)化表征基本參數(shù)見(jiàn)圖5，具體參數(shù)定義見(jiàn)表1。

表1 端頭帽參數(shù)化定義Tab.1 Head-nose parametric definition

圖5 整流罩端頭帽參數(shù)化模型Fig.5 Fairing head-nose parametric model

2.3.2 蜂窩夾心錐殼段參數(shù)化

蜂窩夾心錐殼段結(jié)構(gòu)的參數(shù)化表征基本參數(shù)見(jiàn)圖6，具體參數(shù)定義見(jiàn)表2。

表2 蜂窩夾心錐殼段參數(shù)化定義Tab.2 Honeycomb cone structure parametric definition

圖6 蜂窩夾心錐殼段參數(shù)化模型Fig.6 Honeycomb cone structure parametric model

2.3.3 桁條參數(shù)化

桁條的參數(shù)化表征基本參數(shù)見(jiàn)圖7，具體參數(shù)定義見(jiàn)表3。

表3 桁條參數(shù)化定義Tab.3 Strengthening stringer parametric definition

圖7 桁條參數(shù)化模型Fig.7 Strengthening stringer parametric model

2.3.4 貯箱箱底參數(shù)化

貯箱箱底的參數(shù)化表征基本參數(shù)見(jiàn)圖8，具體參數(shù)定義見(jiàn)表4。

表4 貯箱箱底參數(shù)化定義Tab.4 Tank bottom parametric definition

圖8 貯箱箱底參數(shù)化模型Fig.8 Tank bottom parametric model

2.3.5 貯箱參數(shù)化

貯箱正置正交網(wǎng)格短殼的參數(shù)化表征基本參數(shù)見(jiàn)圖9，具體參數(shù)定義見(jiàn)表5。此外，對(duì)放射肋貯箱短殼、光筒段貯箱、45°斜置正交網(wǎng)格加筋筒段貯箱以及等邊三角形網(wǎng)格加筋筒段貯箱[9]分別進(jìn)行參數(shù)化表征，形成包含貯箱關(guān)鍵特征尺寸的參數(shù)化模型。

表5 貯箱加筋短殼參數(shù)化定義Tab.5 Tank short-shell with strength ribs parametric definition

圖9 貯箱加筋短殼參數(shù)化模型Fig.9 Tank short-shell with strength ribs parametric model

2.4 結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算

2.4.1 載荷處理

根據(jù)載荷設(shè)計(jì)專業(yè)提供載荷計(jì)算數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，建立估重平臺(tái)讀取載荷文件的協(xié)議，進(jìn)行接口數(shù)據(jù)格式約定，然后根據(jù)載荷等效公式[10]，例如部段折合軸拉載荷計(jì)算公式等，對(duì)同一部段內(nèi)不同時(shí)刻下的所有站點(diǎn)進(jìn)行載荷等效。最后通過(guò)排序算法自動(dòng)提取最大載荷工況，計(jì)入安全系數(shù)后，分別作為各部段的設(shè)計(jì)載荷用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核。

2.4.2 材料特性處理

建立常用火箭結(jié)構(gòu)材料[11]特性數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選取相應(yīng)的材料并進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算。

材料特性包括材料的泊松比υ、密度ρ、強(qiáng)度系數(shù)φ、拉伸強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σ0.2、彈性模量E、比例極限應(yīng)力σp等。其中，拉伸強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σ0.2、彈性模量E、比例極限應(yīng)力σp均為溫度的函數(shù)。給定某材料特性時(shí)，泊松比、密度、強(qiáng)度系數(shù)直接指定，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、比例極限應(yīng)力則給出對(duì)應(yīng)溫度的數(shù)表，以數(shù)表中溫度數(shù)據(jù)為插值節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前所需溫度為插值點(diǎn)，采用一維線性插值的方式計(jì)算得到所求溫度下的材料屬性。

考慮使用溫度下材料彈性模量對(duì)軸壓承載能力的影響按式(1)計(jì)算各個(gè)計(jì)算情況下的折合軸壓值。

(1)

式中，T折為折合軸壓，單位為N；T為軸壓，單位為N；M為彎矩，單位為N·m；R為短殼半徑(為公稱半徑)，單位為m；E常為室溫下材料彈性模量，單位為MPa；Et為計(jì)算情況溫度下的材料彈性模量，單位為MPa。

2.4.3 承載能力計(jì)算

根據(jù)貯箱、殼段承載特點(diǎn)，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

典型殼段的設(shè)計(jì)校核過(guò)程如下：

1)對(duì)載荷文件處理得到設(shè)計(jì)載荷。

2)用戶給定桁條的截面形狀和尺寸、中間框的截面形狀和尺寸、殼段的長(zhǎng)度和直徑、用戶輸入中間框數(shù)量的上下界。

3)確定中間框的數(shù)量，計(jì)算中間框間距，利用桁條局部臨界應(yīng)力、桁條整體臨界應(yīng)力公式、殼段結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算公式[12]計(jì)算得到桁條間距，進(jìn)而求得桁條數(shù)量。校核中間框的剛度。計(jì)算殼段結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

4)計(jì)算出每組中間框數(shù)量所對(duì)應(yīng)的殼段質(zhì)量。選取殼段質(zhì)量最小所對(duì)應(yīng)的參數(shù)作為輸出結(jié)果。

典型貯箱的設(shè)計(jì)校核過(guò)程，以短殼為例如下：

1)讀入載荷文件，按最大載荷工況，例如最大軸壓設(shè)計(jì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)根據(jù)設(shè)計(jì)情況及載荷形式，確定一種結(jié)構(gòu)形式。若軸壓為均布載荷，選用正置正交網(wǎng)格加筋短殼；若軸壓為集中力，選用放射肋加筋短殼。

3)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，例如正置正交網(wǎng)格，采用以下方法，計(jì)算相應(yīng)的尺寸。

正置正交網(wǎng)格加筋短殼需確定的幾何參數(shù)采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)變量為：ts，H，tX，tY，bX，bY，優(yōu)化模型為

(2)

式中，ηz為軸壓剩余強(qiáng)度系數(shù)，ηm為蒙皮局部穩(wěn)定性剩余強(qiáng)度系數(shù)，ηr為縱肋局部穩(wěn)定性剩余強(qiáng)度系數(shù)。

對(duì)優(yōu)化所得結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行圓整，再對(duì)軸壓承載能力、蒙皮局部穩(wěn)定性、縱肋局部穩(wěn)定性計(jì)算剩余強(qiáng)度系數(shù)。

最終輸出結(jié)果包含計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、當(dāng)量厚度、各剩余強(qiáng)度系數(shù)及質(zhì)量特性。

以整個(gè)貯箱為例，估重流程如圖10所示。

圖10 貯箱估重流程Fig.10 Tank weight estimation process

2.5 估重平臺(tái)

估重平臺(tái)軟件主界面分為5塊區(qū)域：工具欄、任務(wù)欄、當(dāng)前操作顯示區(qū)、日志記錄區(qū)以及操作區(qū)，如圖11所示。

圖11 估重平臺(tái)軟件界面Fig.11 Weight estimation platform user interface

1)工具欄：實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的新建、保存、編輯等，并可對(duì)視圖顯示等進(jìn)行設(shè)置。

2)任務(wù)欄：顯示項(xiàng)目中的所有任務(wù)，用戶可以在此選擇要進(jìn)行的任務(wù)。

3)顯示區(qū)：顯示模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

4)記錄區(qū)：顯示當(dāng)前任務(wù)并記錄已完成的任務(wù)。

5)操作區(qū)：用戶進(jìn)行參數(shù)輸入，完成計(jì)算后顯示計(jì)算結(jié)果。

估重平臺(tái)中，每一火箭為一個(gè)項(xiàng)目。首先選定火箭基本構(gòu)型，之后對(duì)火箭中的各個(gè)艙段、貯箱、整流罩等進(jìn)行配置，每一部段為一個(gè)任務(wù)。每一任務(wù)又可劃分為幾個(gè)子任務(wù)，以貯箱為例，每一貯箱包含前短殼、前底、筒段、后底、后短殼5個(gè)子任務(wù)，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。最終對(duì)子任務(wù)計(jì)算結(jié)果后處理得到整體計(jì)算結(jié)果。

3 估重平臺(tái)應(yīng)用

3.1 估重精度測(cè)試

在估重平臺(tái)應(yīng)用前，先對(duì)其估重精度進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)工程型號(hào)實(shí)際所獲得的部段載荷，給出典型部段的設(shè)計(jì)載荷，由估重平臺(tái)讀入并自動(dòng)處理，獲取典型部段估重?cái)?shù)據(jù)，再與工程實(shí)際部段稱重?cái)?shù)據(jù)對(duì)比。共對(duì)端頭帽、頭錐、柱段、倒錐、箱間段、前底、后底、前短殼、后短殼、箱筒段等17個(gè)典型部段進(jìn)行了估重精度測(cè)試，結(jié)果如圖12所示，圖中星號(hào)為測(cè)試數(shù)據(jù)，直線為參考線。測(cè)試結(jié)果表明估重平臺(tái)對(duì)各種典型部段的估重?cái)?shù)據(jù)均與實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)一致性較好，最大誤差不超過(guò)15%。誤差原因分析可知部分估重偏小的算例中工程實(shí)際部段還存在優(yōu)化的空間，估重設(shè)計(jì)更優(yōu)；個(gè)別估重偏大的算例中，實(shí)際部段進(jìn)行了局部減重。綜合分析認(rèn)為，估重平臺(tái)精度較高，可用于指導(dǎo)工程研制。

圖12 典型部段估重?cái)?shù)據(jù)與稱重?cái)?shù)據(jù)對(duì)比Fig.12 Comparison between estimation weight and real weight of typical segments

通過(guò)測(cè)試后，將結(jié)構(gòu)估重平臺(tái)接入總體回路論證中形成總體設(shè)計(jì)估重?cái)?shù)字化模塊，總體方案調(diào)整和迭代可以在總體設(shè)計(jì)層中閉環(huán)，提高總體論證效率，提升總體論證精細(xì)化水平?；诠乐啬K在總體回路的優(yōu)勢(shì)，除開(kāi)展快速總體方案論證外，還可擴(kuò)展至與結(jié)構(gòu)質(zhì)量相關(guān)的其他方案優(yōu)化，本文給出以下3個(gè)方面的案例。

3.2 箭體結(jié)構(gòu)與增壓方案協(xié)同優(yōu)化

火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量主要受載荷和箱壓影響。貯箱質(zhì)量與增壓壓力并不是單調(diào)關(guān)系，軸壓載荷不變時(shí)，通過(guò)增壓壓力的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲取最小的貯箱質(zhì)量。

以火箭一級(jí)煤油箱為應(yīng)用案例，基于結(jié)構(gòu)估重平臺(tái)，評(píng)估一級(jí)煤油箱增壓壓力對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，開(kāi)展了增壓壓力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，確定了最優(yōu)的增壓壓力，獲取了最小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

載荷文件中給出一級(jí)煤油箱各站點(diǎn)的軸壓、彎矩和剪力數(shù)據(jù)，并且給出了液柱壓力，針對(duì)8個(gè)狀態(tài)的貯箱增壓壓力開(kāi)展了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和估重，獲取了結(jié)構(gòu)質(zhì)量與增壓壓力之間的變化關(guān)系，見(jiàn)圖13。

圖13 結(jié)構(gòu)質(zhì)量受貯箱增壓壓力影響曲線Fig.13 Influence curves of structure weight with tank pressure

隨著增壓壓力的增大，箱底質(zhì)量線性增加，筒段由軸壓設(shè)計(jì)變?yōu)閮?nèi)壓設(shè)計(jì)，筒段質(zhì)量先減小、后增加。根據(jù)變化關(guān)系，可以確定存在最優(yōu)的增壓壓力，使整個(gè)貯箱質(zhì)量最小。

3.3 捆綁傳力方案優(yōu)選

捆綁傳力方案影響運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度和結(jié)構(gòu)效率，常見(jiàn)的傳力方式為前支點(diǎn)傳力和后支點(diǎn)傳力兩種方案。針對(duì)捆綁四助推構(gòu)型，載荷文件中根據(jù)兩種傳力方式，分別提供了箭體結(jié)構(gòu)部段載荷。根據(jù)載荷條件，通過(guò)結(jié)構(gòu)估重平臺(tái)，對(duì)兩種傳力方式開(kāi)展質(zhì)量估算和運(yùn)載能力影響分析，為捆綁傳力方案的選擇提供依據(jù)。進(jìn)而可以根據(jù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)運(yùn)載能力的影響程度，評(píng)估優(yōu)選更合理的捆綁傳力方案。

3.4 火箭構(gòu)型系列化論證

火箭構(gòu)型系列化可以獲得一定梯度的運(yùn)載能力與火箭構(gòu)型配置，可以根據(jù)任務(wù)情況靈活選擇火箭構(gòu)型。按照系列化思路[13-14]，火箭由四助推器構(gòu)型、兩助推器構(gòu)型、串聯(lián)式構(gòu)型構(gòu)成，3個(gè)構(gòu)型按照模塊化思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，芯級(jí)、助推器加注量和結(jié)構(gòu)狀態(tài)相同。

由于串聯(lián)式構(gòu)型與捆綁助推器構(gòu)型對(duì)芯級(jí)的承載要求完全不同，捆綁構(gòu)型的芯級(jí)質(zhì)量顯著高于串聯(lián)構(gòu)型，若完全按照最大化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，會(huì)對(duì)串聯(lián)構(gòu)型的運(yùn)載能力帶來(lái)較大的限制。通過(guò)估重平臺(tái)，可以快速地定量評(píng)估系列化設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)載能力的影響[15-16]，給出火箭系列構(gòu)型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制的建議。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了基于載荷的箭體各部段質(zhì)量估算技術(shù)實(shí)施方案，開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)估重平臺(tái)并嵌入總體設(shè)計(jì)回路中形成總體估重?cái)?shù)字化模塊。利用該模塊實(shí)現(xiàn)了載荷自動(dòng)處理、參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化、質(zhì)量自動(dòng)計(jì)算，支持貯箱、殼段和整流罩等常見(jiàn)結(jié)構(gòu)部段的估重，可進(jìn)行全箭質(zhì)量估算，具有全箭質(zhì)量管理功能。此外，還擴(kuò)展了與結(jié)構(gòu)質(zhì)量相關(guān)的多專業(yè)協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)等應(yīng)用，在多型火箭總體方案論證和優(yōu)化過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。