返回器著水沖擊響應(yīng)數(shù)值分析.pdf

1、動(dòng)態(tài)載荷是作用時(shí)間小于500ms的瞬態(tài)載荷，其一般產(chǎn)生在發(fā)射臺(tái)、發(fā)射終止和著陸過(guò)程中，該沖擊力會(huì)對(duì)艙體、艙內(nèi)宇航員及相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生較大影響。在空間飛行過(guò)程中，保護(hù)不善宇航員及設(shè)備可能承受損傷風(fēng)險(xiǎn)。影響損傷的外部因素有:飛船的結(jié)構(gòu)，座椅和約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及航天服和頭盔。飛船結(jié)構(gòu)與著陸場(chǎng)（海上著陸場(chǎng)和陸上著陸場(chǎng)）有高度的相關(guān)性，滿足陸場(chǎng)著陸沖擊條件的返回器結(jié)構(gòu)可能在著水沖擊環(huán)境中遭受破壞。由于受返回器結(jié)構(gòu)尺寸和試驗(yàn)設(shè)備及高昂的試驗(yàn)花費(fèi)等因素。

2、地面試驗(yàn)只對(duì)典型工況條件進(jìn)行，因而不能獲取足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，很少用于統(tǒng)計(jì)分析。因此，對(duì)返回器的沖擊特性進(jìn)行數(shù)值分析具有重要意義。
　　 首先，本文應(yīng)用LS-DYNA軟件，研究流固耦合相關(guān)算法，建立包括返回器、空氣和水三部分的著水沖擊有限元模型，分析了其入水的載荷特性和濺水狀態(tài)。由于返回器沖擊環(huán)境的不確定性，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和試驗(yàn)研究，設(shè)定水平速度、豎直速度、入水角和波浪斜率4個(gè)關(guān)鍵沖擊參數(shù)作為研究對(duì)象，抽取返回器上3個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)定為宇航員

3、艙位。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算成功得到艙體入水沖擊加速度曲線、壓力波傳播等一系列數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與von Karman和Wagner理論的計(jì)算結(jié)果及相關(guān)部門的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在最大沖擊加速度指標(biāo)上均比較吻合，驗(yàn)證了模型建立的有效性。
　　 其次，本文仿真分析了一系列不同特征參數(shù)的艙體入水沖擊特性。應(yīng)用正交試驗(yàn)方法分析了水平速度、豎直速度、入水角和波浪斜率四參數(shù)的顯著性和交互作用。并討論了波浪斜率和返回器入水速度對(duì)沖擊加速度的影響。研究表明，由于返回艙

4、為彈性結(jié)構(gòu)，與流體作用時(shí)發(fā)生彈性變形，對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，入水瞬間返回艙著水點(diǎn)處的加速度峰值顯著增加。隨著沾濕面的擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)體的峰值點(diǎn)位置也不斷改變，主要出現(xiàn)在射流產(chǎn)生處。本文還著重討論了入水速度、側(cè)傾角和波斜率對(duì)沖擊加速度的影響。在相同的工況條件下，側(cè)傾角在27°左右時(shí)豎直速度越小，返回艙受到的沖擊加速度越小。
　　 最后，為了得到更加清晰直觀的著水沖擊響應(yīng)特性，將沖擊加速度轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)（DRI指數(shù)，NASA的緊急逃生