关键词:
海上火箭发射平台
数值模拟
动力响应
模型试验
冲击
摘要:
海上火箭发射地点灵活,可以靠近赤道发射,利用地球自转速度,节省燃料,提高运载能力,海洋范围宽广,发射角度自由选择,可以根据发射要求选择合适的发射地点,避免残骸掉落影响人民安全。海上火箭发射相对于陆地发射优势虽然明显,但是海上发射对技术要求要比陆地发射高很多,火箭起竖后至发射前这段时间,复杂的海洋环境会影响发射台桩腿结构安全,更有可能导致火箭倾覆,火箭发射时风浪载荷和火箭尾焰冲击载荷会使海上火箭发射平台产生非线性六自由度运动,影响平台安全。为了研究海上火箭发射平台在风浪与冲击载荷下的动力响应,找出发射平台运动规律和发射台桩腿结构内力变化规律,本文对某一海上火箭发射平台进行了数值模拟和物理模型试验研究。本文主要工作如下:
(1)对海上火箭发射平台的研究现状、平台运动响应和发射台结构强度的研究现状进行综述,对平台在复杂海洋环境中受到的风载荷、波浪载荷、火箭尾焰冲击载荷和系泊载荷以及发射台桩腿结构内力的计算方法进行分析研究,建立了风浪载荷模型、火箭冲击载荷模型以及系泊系统模型,在此基础上,建立了海上火箭发射平台运动方程。
(2)在不同海况等级、不同风浪角度、火箭不同发射位置、火箭不同点火时刻等工况下,对火箭发射平台运动响应进行了仿真模拟,在时域分析基础上进行频谱分析。研究表明,三级及以下海况对发射平台的六自由度运动影响较小。同一海况等级下,火箭发射平台横摇和纵摇摆角幅度主要受风浪角度影响。当火箭选择在平台中间时,冲击载荷对平台垂荡运动有明显影响,对平台其他运动影响很小。
(3)在不同海况等级、不同风浪角度、火箭不同发射位置工况下,仿真模拟了火箭发射台桩腿结构内力响应。结合时域和频谱分析得出,火箭位置选择在平台中间,0°风浪方向下,发射台桩腿轴力、Y向剪力和弯矩,Z向剪力和弯矩主要受波浪影响,同一海况等级和火箭发射位置工况下,发射台桩腿轴力、Y向剪力和Z向弯矩变化受风浪方向影响较大。
(4)设计了海上火箭发射平台物理模型试验,包括自由衰减试验、规则波试验和风浪联合试验。自由衰减试验得到了发射平台模型六个自由度运动的自振周期和阻尼比,验证了物理模型的尺寸以及重量,重心位置和惯性矩等参数都满足要求。规则波试验得到了平台运动的线性响应特征并找到了平台六自由度运动的固有周期。通过分析风浪联合试验数据与数值模拟结果对比得出,四级海况下(工况2)波浪周期接近火箭发射平台的纵摇固有周期,在该工况下火箭发射平台的纵摇运动摆角极值较大。在同一海况同一风浪角度下,对于发射台桩腿col1,火箭发射位置选择在平台右侧时轴力极值较大,对于发射台桩腿col3,火箭发射位置选择在平台尾部时轴力较大。