[发明专利]液体火箭系统级试车工作模态及工作变形试验方法

说明书

技术领域

本发明属于火箭动力学特性试验分析领域，具体涉及一种液体火箭系统级试车工作模态及工作变形试验方法。

背景技术

上世纪六十年代初，雷神系列及大力神系列液体火箭开始出现低频纵向自激振动，这种被称为“POGO”的液体火箭自激振动现象主要是由火箭结构动力学与液体推进系统的推力振荡相互作用引起的动力学不稳定性造成的。我们在几赫兹至一百赫兹的频率范围内都能观察到这种现象，该频率范围主要取决于液体火箭的尺寸大小。火箭发生POGO振动会导致某些箭上仪器失灵和结构破坏，严重的甚至会导致飞行任务的失败。在载人飞行中，POGO振动可能会引起宇航员生理系统失调，感觉不适。因此，预防和抑制箭体POGO振动是非常重要和值得关注的问题。

POGO振动分析首先应该从两方面进行，一方面是箭体结构的模态分析，主要是确定箭体结构与推进系统相互耦合的振动模态特性，如纵向振动模态等。可以通过地面模态试验、结构有限元分析以及相关性分析，得到箭体结构振动模态特性。另一方面是液体火箭发动机推进系统特性分析，重点是确定储箱管路系统、推力室系统等的动力学特性参数，这方面工作主要依靠对地面试验和飞行试验的数据分析。得到以上两方面的分析结果后，就可以进行整体系统的稳定性分析了。

在液体火箭系统级(例如助推全系统、芯一级全系统、芯二级全系统)试车过程中，各个状态比较接近于真实飞行状态。为了验证试车状态POGO设计的适应性，并在试验数据的基础上开展POGO设计验证，则需要进行火箭系统级试车状态下的模态试验分析，通过模态试验分析获得POGO设计所关心的纵向模态参数。

目前的试验方法中，为获得试车状态的模态参数，一般在未加注燃料或加注燃料后通过人工施加激励模态试验获取模态参数。相比较而言，试车过程中通过工作模态分析进行模态参数识别则具有以下优点：1.由于整个箭体结构复杂，尤其是当处于试车台状态时，人工施加激励能量有限，试车状态下火箭发动机推力作用下更接近于真实飞行状态的力环境。2.当整个箭体处于试车台上使用人工施加激励时，此时试车台对箭体作用为支撑作用，而在点火试车过程中，试车台对箭体为拖拽作用，边界条件不同，试车过程中的边界条件下的模态参数更适合用于与其它试车过程中的数据向结合进行分析。3.火箭点火后，随着燃料消耗，箭体质量会发生明显变化，此时箭体的动力学特性也会发生变化，通过试车状态下进行的工作模态识别能够得到随着燃料消耗箭体的动力学特性变化趋势。在试车状态下的系统级试车目前还没有工作模态相关的试验方法及研究。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，提供一种新的液体火箭系统级试车工作模态及工作变形测量与分析方法，该试验方法克服了目前在试车前通过人工施加激励进行模态试验所存在的不足；通过液体火箭系统级试车过程中的低频振动响应，采用工作模态和工作变形分析方法得到模态参数和工作变形。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种液体火箭系统级试车工作模态及工作变形试验方法，包括以下步骤：

步骤1，确定测点；对液体火箭芯一级全系统固定在试车台后的结构状态进行分析，在箭体对称分布两列测点，这些测点纵向位置分别位于氧箱顶部、箱间段上部、箱间段下部、燃箱底部以及箭体与试车台连接处，分别为上燃料储箱顶部测点、箱间段上部测点、箱间段下部测点、下燃料储箱底部测点、箭体与试车台连接位置测点；箱间段上部测点亦为上燃料储箱底部测点，箱间段下部测点亦为下燃料储箱顶部测点；

步骤2，在步骤1确定的测点上安装传感器；

步骤3，搭建试验系统和调试；保证所有测点的传感器的坐标方向一致，并做好记录准备；

步骤3.1，试验系统搭建；将所有测点的传感器通过试车台的电缆连接至后端测量间内的采集器行通道中，并对采集参数进行设置，采样频率设为300Hz，低通滤波100Hz；所有测点传感器的通道处于同一采集器中，从而确保最终采集的所有数据中具有相同的起始时间；

步骤3.2，试验系统调试；

步骤4，试车过程中测量数据；试车前听口令提前启动采集器，然后人员撤离测量间，人员撤离后开始试车，待试车完成后关闭采集器；

步骤5，结果分析；将所有采集器采集的数据进行截取，使所有数据都具有相同的初始时刻；然后进行工作模态分析获工作变形分析，具体步骤如下：

步骤5.1，根据每个传感器测点在整个火箭坐标系上的位置坐标建立三维几何线框模型，使用Polymax方法得到稳态图；

步骤5.2，通过步骤5.1建立的稳态图提取可能模态并得到各阶模态参数；