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NASA借助LMS Virtual.Lab评估火箭喷管的关键载荷

导读: 国家航空和宇航局Marshall宇航中心的研究人员使用LMS Test.Lab采集的模态数据,并结合LMS Virtual.Lab创建混合模型,来评估庞大的火箭喷管的关键载荷。

  国家航空和宇航局Marshall宇航中心的研究人员使用LMS Test.Lab采集的模态数据,并结合LMS Virtual.Lab创建混合模型,来评估庞大的火箭喷管的关键载荷,新型火箭喷管将用于NASA下一代Ares运载火箭中。

  Marshall宇航中心的结构动态试验部负责美国国家航天局的部分模态试验,将使用LMS Test.Lab用于新运载火箭的地面共振试验。NASA的工程师和研究人员在很多项目中,采用LMS的技术来设计和测试先进的航天器。他们期望在未来的数十年里,新的航天器能自由穿梭于太阳系。

  根据预定计划,NASA的宇航员将于2015年重返月球,并建立新的月球空间站。以月球空间站为基地,预计2030年将实施6个月飞往火星的计划。探索家们将乘坐新一代Ares运载火箭飞往月球、火星以及宇宙中其他目的地。新的运载火箭将采用配有世界上最大火箭喷管的J-2X推进系统作为动力。NASA的工程师们使用LMS Test.Lab对喷管复制品进行模态试验并采集试验数据,采用LMS Virtual.Lab创建了系统响应模型,用于计算巨大喷管关键的侧壁载荷。试验是由Marshall宇航中心的结构动态试验部完成的,他们使用LMS Test.Lab为美国国国家航天局的很多项目进行模态试验——包括即将开展的Ares运载火箭整机的地面共振试验(GVT)。

  大型喷管的强大推力

  在五个R S - 6 8 发动机的核心推进阶段——现有的最大的液态氢/液态氧火箭发动机——巨大的Ares V运载船将承载360英尺高,以及超过286,000磅的升力进入低地球轨道:这几乎是航天飞机有效载荷重量的五倍。它的副飞行器Ares I,将作为载人运载火箭,将宇航员继续送往太空。

  两个运载火箭的上升阶段将由高效强劲的J-2X液态发动机驱动,专门设计的J-2X可以提供火箭升空所需的推力,同时能够保证长时间的太空飞行。J-2X的喷管长超过15英尺,直径达10英尺,是世界上迄今为止最大的火箭喷管。

  喷管侧壁载荷的潜在风险

  工程师在设计火箭喷管,特别是像J-2X这样的大型火箭喷管时,仔细考虑的内容之一是分离现象。这一现象的发生,是由于快速膨胀的排气具有相对低的气压,使得外部大气气体吸入喷管边缘。排气从侧壁排出会对喷管产生巨大的不对称的横向载荷,使外形变形,并因此扰动排气流,产生更大的分隔。产生的流体结构的相互作用可以造成10-G共振,导致侧壁出现几英寸变形——这足以让喷管产生裂缝或者破坏控制推进方向的操作臂。

  由于上诉风险的存在,侧壁载荷在火箭喷管设计中是非常重要的参数。这些力的准确值很难直接测量获得,并且到目前为止,没有可行的技术能够精确地预测载荷的量级和频率。在开发解决这一问题的方法时,NASA研究人员在MSFC的试验室详细研究火箭分离现象,他们按照5:1的比例构建了火箭喷管模型,并对模型作用加压的空气。目的在于对喷管的等比复制品作用有规则的振动来计算导致振动的未知力大小。采用这种方法是要能够精确创建计算机模型,可以与试验室的真实喷管相符合。

 

Ares V运载船和Ares I载人运载火箭升空阶段的动力是由J-2X液态发动机提供的,J-2X是世界上迄今为止最大的火箭喷管

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