燃料贮箱内浮球式防晃结构的力学性能分析

摘要

航天器燃料箱内的液体晃动问题一直以来就是航天领域研究的热点，燃料箱内的液体晃动也曾直接导致航天任务的失败，如何抑制航天器贮箱内的液体晃动是一个重要的课题。在航天工程中，各种防晃装置被应用到航天器上来减少贮箱内燃料的晃动，其中应用最多的是各类防晃挡板。航天器贮箱内的防晃挡板一般通过焊接直接固定在箱体内壁上，由于这些防晃挡板一般都是固定的，并不能随着燃料贮箱内液体燃料的消耗而作出自适应的调整，所以贮箱内壁上需要焊接相当数量的防晃挡板来确保防晃效果，这又导致了航天器质量的增加及运载效率的降低。为了实现航天器贮箱内的防晃效果，保证航天器尽可能轻质的特点，本文采用在液体燃料箱内覆盖浮球的方式来减少液体燃料的飞溅及大幅晃动。利用浮球抑制晃动的思路来源于普林斯顿大学研究人员对携带不同饮料时所产生的水波的研究，研究发现饮料表面的泡沫能降低晃动的程度并能对水波起到缓冲作用。
　　为了抑制燃料贮箱内的液体晃动，本文在液体贮箱内的自由液面覆盖了一层浮球，通过浮球之间的相互摩擦可以耗散液体内部的晃动能，起到一定的缓冲效果。本文采用数值模拟与液体晃动实验对浮球的防晃性能展开了进一步的研究，为了验证浮球结构对液体晃动的抑制作用，本文比较了无浮球时的自由晃动与有浮球结构时的晃动情况，结果表明浮球结构确实能起到一定的抑制晃动的效果。
　　为了研究浮球的尺寸及材料参数对其防晃性能的影响，本文选取了两种材料的塑料浮球，而浮球的尺寸则根据直径大小的不同可被分为三种。通过比较加了直径不同但材料相同的浮球后的晃动情况发现浮球直径是影响其防晃性能的重要指标，且不同直径的浮球能改变液体晃动的频率。比较加了两种不同材料的浮球后的晃动情况，可知浮球材料的弹性直接影响其防晃效果，弹性更好的浮球能加速液体晃动的衰减速度，表现出更佳的防晃性能。
　　此外，浮球重心位置的变化对贮箱内液体晃动的影响也是本文研究的一个重要内容。通过在空心浮球中充入液体来改变浮球的重心位置，使单个浮球与液面的接触面积增大，有效抑制自由表面液体的飞溅，而浮球内部液体的运动也能加快晃动能量的耗散。研究表明充入液体后重心位置改变的浮球能有效吸收晃动能，使液体内部的晃动能迅速耗散，缩短衰减过程中的阻尼时间，其抑制效果也要优于原来的空心浮球，且当充液高度改变时其防晃性能仍能保持稳定。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文主要研究内容

第2章 浮球结构对航天器贮箱内液体晃动的影响

2.1 引言

2.2 液体晃动的研究方法

2.3 浮球结构在抑制液体晃动中的作用

2.5 本章小结

第3章 浮球的尺寸及材料参数对贮箱内液体晃动的影响

3.1 引言

3.2 浮球的尺寸及材料参数

3.3 浮球直径对抑制液体晃动的影响

3.4 浮球材料对抑制液体晃动的影响

3.5 本章小结

第4章 浮球的重心位置对贮箱内液体晃动的影响

4.1 引言

4.2 浮球的重心位置对抑制液体晃动的影响

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果

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致谢