液体火箭发动机工程研制中的结构强度研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29065

综述

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液体火箭发动机工程研制中的结构强度研究进展

穆朋刚(), 李斌潮, 王珺, 宋少伟, 时寒阳

西安航天动力研究所液体火箭发动机技术重点实验室，西安 710100

收稿日期:2023-05-29 修回日期:2023-07-25 接受日期:2023-09-05 出版日期:2023-10-11 发布日期:2023-10-08
通讯作者: 穆朋刚 E-mail:mu_penggang@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(11702204);液体火箭发动机技术重点实验室基金(HTKJ2022KL011004)

Research progress on structural strength of liquid rocket engine during engineering development phase

Penggang MU(), Binchao LI, Jun WANG, Shaowei SONG, Hanyang SHI

Science and Technology on Liquid Rocket Engine Laboratory，Xi’an Aerospace Propulsion Institute，Xi’an 710100，China

Received:2023-05-29 Revised:2023-07-25 Accepted:2023-09-05 Online:2023-10-11 Published:2023-10-08
Contact: Penggang MU E-mail:mu_penggang@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11702204);Foundation of Science and Technology on Liquid Rocket Engine Laboratory(HTKJ2022KL011004)

摘要/Abstract

摘要：

液体火箭发动机为中国天地运输系统的主动力，承担绝大部分航天器的发射任务。发动机在高压、高温、高转速、强振动等极端恶劣的条件下工作，所面临结构强度问题非常突出。发动机结构强度问题起始于方案论证阶段，贯穿于产品整个寿命周期直至发射任务完成，而发动机在结构设计、载荷与使用环境、材料、制造过程、试验及强度评估等诸多方面存在不确定性和尚未解决的深层次问题，使结构强度成为影响发动机安全性和可靠性的一项重要因素。以发动机工程研制中的结构强度为出发点，总结探讨了发动机在结构强度设计及验证过程中若干个重要方面，涵盖载荷与使用环境、安全系数、材料、试验测试、损伤检测、验证及评估等，为发动机结构强度设计体系探索及新型发动机预研提供研究思路。

关键词: 液体火箭发动机, 结构强度, 工程研制, 载荷, 验证, 评估

Abstract:

Liquid rocket engines are used as the main propulsion system for Chinese space transportation， which offer the most spacecraft launch for space activities. During the rigorous working conditions， such as high pressure， high temperature， high rotational speed and strong vibration environment， structural strength of engine and its components have become momentous technical problems to be solved in the engine development process. Structural strength problems began with the preliminary design stage of project operated throughout the product full life cycle and ended with completing the launch missions. However， many uncertainties and profound problems， including structural design， loads and serving environments， materials， manufacturing process， test measure， destructive evaluation， test verification process and strength assessment， caused the structural strength to become an important factor that affected the safety and reliability of engine. Therefore， taking the structural strength as fundamental starting point， the aforementioned essential problems and elements in structural strength design， test verification process of liquid rocket engines were summarized and analyzed， and research ideas for structure strength design system exploration and the new engine pre-research were proposed and discussed in this paper.

Key words: liquid rocket engine, structural strength, engineering development, load, verification, assessment

中图分类号:

V434

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图/表 7

图1

图2

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表1

表2

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参考文献 67

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零组件		安全系数要求	来源
带压结构		极限强度安全系数：1.5；爆破压力安全系数：2.5	GJB 2200A—2004^［27］
带压结构		液压试验压力为1.2~1.5倍最大工作压力；爆破试验压力不低于2.5倍最大工作压力	GJB 10A—2004^［28］
轴类	刚轴	要求工作转数不大于0.85倍一阶临界转速
轴类	柔轴	当工作转数在一、二阶临界转数之间时，要求工作转数大于1.15倍的一阶临界转速，且小于0.85倍的二阶临界转速；当工作转数在二、三阶临界转数之间时，要求工作转数大于1.15倍的二阶临界转速，且小于0.85倍的三阶临界转速
推力室		极限强度安全系数：1.5；极限耐压压力不低于最大工作压强2倍	QJ 2486A—2014^［29］
推力室		身部连接强度试验的试验压力为1.5~2.0倍最大工作压力；总体承载能力试验的试验压力为1.2倍最大工作压力；爆破试验压力为一般不低于2.5倍最大工作压力	QJ 2786—1996^［40］
贮箱		按屈服强度设计安全系数取1.0~1.1；按极限强度设计安全系数取1.25~2；液压试验系数一般取1.05~1.5	QJ 1941—1990^［41］
钛合金球形气瓶		按极限强度设计安全系数取1.5~2	QJ 1654—1989^［42］

发动机硬件类型	载荷	失效模式	安全性分析系数	试验系数
发动机硬件类型	载荷	失效模式	安全性分析系数	鉴定	验收/验证
金属结构及部件
屈服	仅机械载荷	净截面屈服	1.10	NA	NA
极限	仅机械载荷	净截面极限	1.40	1.40	NA
极限	最大设计条件	稳定性极限	1.40	1.40	1.20
极限压力及转速	最大设计压力或转速	净截面屈服	1.50	1.50	1.20
极限	最大设计条件	点应变极限	2.00	1.40	1.20
压力容器及带压部件	最大设计条件（仅压力）	AFSPCMAN 91-710和AIAA S-080-1998或AIAA S-081-2000
紧固件及预加载连接
屈服	最大设计条件	净截面屈服	1.10	NA	NA
极限	最大设计条件	净截面极限	1.40	1.40	1.20
连接分离	最大设计条件	分离泄漏	1.20	1.20	1.20
安全关键	最大设计条件	分离泄漏	1.40	1.40	1.20
复合材料及/或胶接结构及部件-极限强度		（除非说明，失效模式一为极限点应力/应变）
均匀区	最大设计条件	点极限	1.40	1.40	1.20
应力集中区	最大设计条件	点极限	2.00	1.40	1.20
胶接接头	最大设计条件	净截面极限	2.00	1.40	1.20
烧蚀	最大设计条件	点极限	1.70	1.40	1.20

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液体火箭发动机工程研制中的结构强度研究进展

Research progress on structural strength of liquid rocket engine during engineering development phase

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图/表 7

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