前 言
液體火箭發(fā)動機是運載火箭、導(dǎo)彈武器、空間飛行器的核心之一,決定著一個國家航 天活動的規(guī)模及進出空間、利用空間和控制空間的能力,是一個國家科技實力的重要體 現(xiàn),是國家安全的重要保障.國內(nèi)外液體火箭發(fā)動機的研制歷程表明:結(jié)構(gòu)疲勞、斷裂、碰磨、泄漏等是發(fā)動機主要的故障模式,其根源在于對結(jié)構(gòu)動載荷認識不足、結(jié)構(gòu)動力學設(shè)計不合理、結(jié)構(gòu)動強度試驗考核不充分等.另一方面,解決此類動力學問題同樣面臨 一系列挑戰(zhàn),包括發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功率密度大,工作環(huán)境惡劣,渦輪泵、燃燒室及燃氣發(fā)生器等主要振源位置相對集中,振源相互耦合強烈,多源振動在結(jié)構(gòu)件間傳遞機理復(fù)雜等.目前,結(jié)構(gòu)動力學問題已成為制約液體火箭發(fā)動機工作安全性、可靠性的重要因素. 載人登月等重大航天工程以及空天往返運輸系統(tǒng)等對液體火箭發(fā)動機的推力量級、推質(zhì)比、可靠性、壽命等指標要求均有大幅提高,增材制造技術(shù)以及輕質(zhì)新材料的廣泛采用,使得液體火箭發(fā)動機流、聲、熱及力的多場耦合問題更加突出,相應(yīng)力學響應(yīng)的高度非線性特征也更加明顯.燃氣發(fā)生器、推力室等燃燒組件形成的各種振蕩燃燒,渦輪泵的旋轉(zhuǎn)及其產(chǎn)生的流體激勵,閥和管路系統(tǒng)的流致振動,起動/關(guān)機瞬變過程產(chǎn)生的沖擊載荷,噴流噪聲以及熱環(huán)境等,這些使得發(fā)動機結(jié)構(gòu)所工作的載荷環(huán)境更加復(fù)雜、惡劣. 本書旨在為系統(tǒng)分析與總結(jié)液體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學方面的研究成果,指導(dǎo)發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學問題的分析與解決.全書共分為１０章.
第１章緒論.闡述液體火箭發(fā)動機的系統(tǒng)組成、發(fā)動機的不同分類及特點,重點論 述熱力組件、渦輪泵、自動器以及總裝元件等發(fā)動機核心組件及整機的功能、結(jié)構(gòu)及動力學問題.
第２章發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學建模分析.對低頻動力學、中高頻動力學建模所涉及的建模方法等進行論述,探討動態(tài)子結(jié)構(gòu)法,介紹發(fā)動機結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗技術(shù).
第３章發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學模型修正.闡述有限元模型修正方法,論述基于靈敏度分析的修正系數(shù)選取以及模型修正有效性的評價標準.
第４章 發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學分析及優(yōu)化設(shè)計.闡述結(jié)構(gòu)動力學分析理論及求解算法, 介紹結(jié)構(gòu)動力學優(yōu)化設(shè)計方法與處理大規(guī)模優(yōu)化問題的代理模型技術(shù),給出基于 HK 模型的火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)優(yōu)化、發(fā)動機管路斷裂失效分析及動力優(yōu)化實例.
第５章 發(fā)動機渦輪泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性研究.闡述基于有限元法的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動特性分析方法,給出渦輪氧泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同影響因素下臨界轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律以及相應(yīng)的瞬 態(tài)響應(yīng)和不平衡響應(yīng),同時論述氫氧渦輪泵柔性轉(zhuǎn)子的動力學設(shè)計方法.
第６章 渦輪泵流體激振特性研究.介紹渦輪泵內(nèi)的動靜干涉、旋轉(zhuǎn)空化兩類流體激 振現(xiàn)象,研究離心輪與擴壓器之間的動靜干涉機理和誘導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)空化的發(fā)生機理,分析誘導(dǎo)輪內(nèi)的空化流動特性與空化不穩(wěn)定現(xiàn)象.
第７章 發(fā)動機多源載荷識別與傳遞特性研究.通過多源激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析研究影 響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要因素及振動主要傳遞路徑,獲取激振力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的相關(guān)特征.
第８章 發(fā)動機振動試驗技術(shù)研究.闡述振動試驗臺的分類、工作原理,介紹振動試 驗夾具的設(shè)計原則以及結(jié)構(gòu)形式,論述正弦振動試驗、隨機振動試驗、沖擊及沖擊響應(yīng)譜試驗和試驗控制方法.
第９章 發(fā)動機虛擬振動試驗技術(shù)研究.闡述電動振動臺的機電模型、參數(shù)辨識以及電動振動臺的建模示例,論述正弦振動控制算法、隨機控制算法,以及虛擬振動試驗的運行與后處理方法.
第１０章 發(fā)動機熱試車動態(tài)信號測試及故障分析.闡述發(fā)動機熱試車動態(tài)信號測量技術(shù),論述發(fā)動機熱試車數(shù)據(jù)分析方法以及基于發(fā)動機動態(tài)數(shù)據(jù)分析的力學環(huán)境試驗條件設(shè)計,同時給出某型發(fā)動機試車大振動故障診斷以及某次發(fā)動機試車結(jié)構(gòu)損壞分析的應(yīng)用實例.在本書的編寫過程中,王春民、李鋒、杜飛平、王珺等參與了全書的策劃,杜大華、 杜飛平和汪廣旭參加了第１章的撰寫,杜大華、杜飛平參加了第２章的撰寫,杜大華參加了第３章、第４章的撰寫,杜飛平、黃金平、張召磊參加了第５章的撰寫,項樂、許開富參加了第６章的撰寫,李斌潮參加了第７章的撰寫,鄧長華參加了第８章、第９章的撰寫,孫百紅參加了第１０章的撰寫.西安交通大學徐自力、西北工業(yè)大學文立華教授參加了全書的審校工作. 在本書的策劃過程中,得到了張貴田院士的悉心指導(dǎo).在出版過程中,得到了中國宇航出版社的大力支持,在此一并表示感謝. 本書在撰寫過程中,力求做到結(jié)構(gòu)完整、概念清晰、論述清楚流暢,但受限于水平, 書中的內(nèi)容難免會有錯誤或疏漏,懇請讀者批評指正.
譚永華
２０２１年１０月于西安
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