可重复使用运载火箭结构疲劳耐久性与可靠性展望

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28299

可重复使用运载火箭技术专栏

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可重复使用运载火箭结构疲劳耐久性与可靠性展望

顾孟奇¹, 朱家才², 郭万林¹^,²(), 薛松²

^1.清华大学机械工程学院，北京 100084
^2.南京航空航天大学航空学院，南京 210016

收稿日期:2022-11-23 修回日期:2022-12-07 接受日期:2023-02-27 出版日期:2023-12-15 发布日期:2023-03-17
通讯作者: 郭万林 E-mail:wlguo@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2019YFA0705400);江苏省自然科学基金(BK20212008);机械结构力学及控制国家重点实验室(MCMS-I-0421K01);中央高校基本科研业务费(NJ2022002)

Prospects for fatigue durability and reliability of reusable launch vehicle structures

Mengqi GU¹, Jiacai ZHU², Wanlin GUO¹^,²(), Song XUE²

^1.School of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China
^2.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2022-11-23 Revised:2022-12-07 Accepted:2023-02-27 Online:2023-12-15 Published:2023-03-17
Contact: Wanlin GUO E-mail:wlguo@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2019YFA0705400);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20212008);State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures(MCMS-I-0421K01);Fundamental Research Funds for the Central Universities(NJ2022002)

摘要/Abstract

摘要：

可重复使用火箭是当今世界运载火箭技术发展的重要方向。传统的一次性运载火箭只需要完成单次发射任务，通常使用高静强度安全系数来保证其结构可靠性。对于需要尽可能多地执行发射任务以提高经济效益的可重复使用运载火箭，结构疲劳耐久性与可靠性是静强度难以覆盖的。抗疲劳断裂性能与可靠性是高性能可重复使用运载火箭结构设计的基本问题。分析了火箭、尤其是发动机结构的载荷特点，提出环境因素作用下的振动疲劳是运载火箭发动机结构的主要失效形式；分析了运载火箭中常见的焊接结构与金属增材制造结构的疲劳问题，总结了运载火箭结构耐久性和可靠性分析的研究现状，对可重复使用运载火箭的耐久性与可靠性设计进行了展望。

关键词: 可重复使用运载火箭, 可靠性, 振动疲劳, 焊接, 金属增材制造

Abstract:

Reusable launch vehicle is an important development direction of the carrier rocket technology in the present world. Traditional disposable rockets only need to complete a single launch mission and usually use a high static strength safety factor to ensure their structural reliability. For reusable launch vehicle that need to perform as many launch missions as possible to increase economic efficiency， structural fatigue durability and reliability are difficult to be covered by static strength design. This review analyzes the key factors which determine the fatigue life of rockets under the existing technology conditions and points out the development direction for improving the durability and reliability of reusable launch vehicle. Vibration loading is the main driving force of fatigue crack propagation in complex environment， and it is vital to suppress structural vibration. The fatigue problems of welding structures and metal additive manufacturing structures commonly used in launch vehicles are specifically analyzed. The current status of the durability and reliability of launch vehicle structures is then reviewed. Finally， a unified method of three-dimensional fatigue fracture is proposed to study the fatigue durability and reliability of reusable launch vehicle. This method can consider all the factors affecting the fatigue life， correlate the initial fatigue quality of the structure and the driving force of crack growth indicated by the detection signal with the fatigue life， and give reliability.

Key words: reusable launch vehicle, reliability, vibration fatigue, welding, metal additive manufacturing

中图分类号:

V415.5

顾孟奇, 朱家才, 郭万林, 薛松. 可重复使用运载火箭结构疲劳耐久性与可靠性展望[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 628299-628299.

Mengqi GU, Jiacai ZHU, Wanlin GUO, Song XUE. Prospects for fatigue durability and reliability of reusable launch vehicle structures[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(23): 628299-628299.

图/表 18

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表 1

图 2

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100	ZHU J C， GUO W， GUO W L. Surface fatigue crack growth under variable amplitude loading［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2020， 239： 107317.
101	ZHU J C， XU L， GUO W L. The influence of bending loading on surface fatigue crack growth life［J］. International Journal of Fatigue， 2023， 167： 107285.
102	ZHANG J Q， ZHU J C， GUO W， et al. A machine learning-based approach to predict the fatigue life of three-dimensional cracked specimens［J］. International Journal of Fatigue， 2022， 159： 106808.
103	ZHU J， CAO J， GUO W. Three-dimensional fatigue crack growth based method for fatigue reliability of metallic materials［J］. International Journal of Fatigue， 2023， 173： 107697.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

推进剂	燃料密度/（kg·m^-3）	燃料储存温度/K	液氧储存温度/K	混合比	真空比冲/（m·s^-1）
液氢液氧	71	20	88	6	457
液氧煤油	840	常温	88	2.33	348
液氧甲烷	422	110	88	2.77	365

部件	运行环境	受载情况	疲劳问题
涡轮叶片	高温高压，高速气流	旋转离心力，气动载荷，流体与传导载荷激振	振动疲劳，蠕变与热应力疲劳
涡轮泵主轴	无特殊环境	横向谐振载荷	旋转弯曲疲劳
管道	腐蚀，极端高温与低温	振动载荷	腐蚀疲劳，振动疲劳
泵叶片	低温	流体激振与汽蚀	振动疲劳
燃烧室	燃烧高温，强氧化	温度梯度应力，压力振荡	蠕变与热应力疲劳
喷管	高温燃气，高速流动	温度梯度应力，流动分离侧向力	振动疲劳

[1]	郑新前, 王钧莹, 黄维娜, 伏宇, 程荣辉, 熊洪洋. 航空发动机不确定性设计体系探讨[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 27099-027099.
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[3]	张帆, 孙紫荆, 肖国松, 刘嘉琛, 王鹏. 基于直觉模糊贝叶斯网络的HUD系统多阶段任务可靠性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 226853-226853.
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可重复使用运载火箭结构疲劳耐久性与可靠性展望

Prospects for fatigue durability and reliability of reusable launch vehicle structures

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