液体火箭的纵向耦合振动(POGO)研究

摘要

POGO振动是大型液体火箭飞行过程中遇到的一个不容忽视的低频振动问题，属于流固耦合动力学研究范畴。典型的POGO现象是一种由大型液体火箭的结构纵向振动与推进剂管路系统(简称推进系统)相互作用而产生的不稳定的闭环自激振动。
　　POGO振动使得火箭的振动环境恶化，对于结构系统，可能造成箭上敏感元件及仪器设备受损或结构超限；对于推进系统，所伴随的推进系统压力和流量脉动可以产生各种有害效应，降低推进系统的性能，甚至造成事故的发生；对于载人航天，还会使航天员遭受到超出人体承受能力的振动。因此，能否抑制POGO振动已成为当代航天运载器的重要设计条件之一，也是人类能否进入宇航飞行的前提之一。本文从形成机理、结构系统建模、推进系统建模、稳定性分析和贮气型蓄压器设计等方面系统的研究了POGO振动及其预防措施。
　　首先通过一个自由-自由的两质量块-弹簧-阻尼系统阐明了POGO振动形成的机理。紧接着，针对POGO振动的特性，将航天运载器分为两个系统：结构系统和推进系统，分别建立了两个系统的模型并进行了分析。对于结构系统，建立了一个质量-弹簧模型；对于推进系统，建立了一个统一的蓄压器-推进系统模型，分析了蓄压器安装位置和柔度对推进系统固有频率的影响。在此基础上，介绍了用于分析POGO振动稳定性的方法，并结合一个实例，利用临界阻尼比法，分析了系统的稳定性。分析结果表明，临界阻尼比的增大会导致火箭结构系统失稳,而增大蓄压器柔度可降低临界阻尼比，提高系统稳定性；产生POGO振动时，结构振动的加速度响应最大，且推力脉动与加速度响应的相位差为-π/2；蓄压器在推进系统上的安装位置对POGO抑制有重要影响，并给出了蓄压器安装的最佳位置。
　　此外，建立了一个贮气型蓄压器的动力学模型，研究了蓄压器对推进系统固有频率的影响以及蓄压器消减推进系统压力脉动的作用，并给出了在已知降频要求和消减压力脉动要求的情况下，确定蓄压器参数的方法。

目录

液体火箭的纵向耦合振动(POGO)研究

RESEARCH OF POGO VIBRATION IN LIQUDID ROCKRTS

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 POGO振动的研究现状及分析

1.2.1 国外主要航天运载器的POGO振动情况

1.2.2 国外典型航天运载器的POGO振动研究

1.2.3 国内POGO振动研究的现状

1.3 本文的主要研究工作

第2章 POGO振动的机理和结构系统分析

2.1 引言

2.2 POGO振动的机理

2.3 POGO振动的结构系统模型

2.3.1 主要的结构纵向振动模型

2.3.2 结构系统纵向振动的动力学方程

2.4 本章小结

第3章 POGO振动推进系统的建模与分析

3.1 引言

3.2 推进系统各组成部分的模型及其动力学方程

3.3 蓄压器-推进系统模型的建立

3.4 蓄压器-推进系统模型的分析

3.4.1 蓄压器对推进系统频率的影响

3.4.2 推进系统的传递函数

3.5 本章小结

第4章 POGO振动的稳定性分析

4.1 引言

4.2 POGO振动稳定性分析方法

4.2.1 矩阵法

4.2.2 单传法

4.2.3 临界阻尼比法

4.3 利用临界阻尼比法分析系统的稳定性

4.4 本章小结

第5章 抑制POGO振动的蓄压器动力学分析

5.1 引言

5.2 贮气型蓄压器的动力学模型

5.2.1 液体部分的动力学模型

5.2.2 气体部分的动力学模型

5.3 蓄压器特性分析及设计

5.3.1 蓄压器物理参数的确定

5.3.2 蓄压器吸收脉动压力的动态特性

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢