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

Abstract

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

CLC Number:

V434

Penggang MU, Binchao LI, Jun WANG, Shaowei SONG, Hanyang SHI. Research progress on structural strength of liquid rocket engine during engineering development phase[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(11): 529065.

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

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