航天科技一院一部3室给大火箭“减肥”800余公斤

文章来源:中国航天报 发布时间:2012-03-21
    一院一部3室结构强度分析工程组承担着多个航天型号结构强度校核、结构方案优化设计、地面试验方案把关的职责,在结构力学性能分析与优化设计、故障分析、地面试验方案设计以及原理性试验验证等方面发挥了重要的作用。该班组由16人组成,其中博士9人、硕士7人,平均年龄31.5岁,曾荣获2011年度“神箭”金牌班组奖章,并荣获多项型号阶段性成果奖项。


    运载能力是火箭最关键的指标之一,然而在设计长征五号火箭时,按照传统的结构设计方法,大火箭就会超重,无法满足其运载能力的要求。这种情况下就必须给火箭“减肥”。

    一院一部3室结构强度分析工程组就是专门负责给火箭“控制体重”的班组。这个班组的主要工作就是对火箭各个部段结构进行强度分析,确保在满足设计的前提下,有效控制火箭重量。

    经过努力,强度班组的年轻人积极开动脑筋在大火箭初样研制的关键阶段,为大火箭成功“减肥”800余公斤。

   结构优化困难不小

    虽然结构优化技术近年来在其他行业已有应用,但在火箭型号中大规模应用还是头一次。与其他火箭相比,大火箭的体型“魁梧”了许多,如何保证火箭结构承载能力本身就是一个难题,在此基础上还要严格控制结构余量就是难上加难了。

    在大火箭结构设计中,大量采用了蒙皮桁条结构,而这种结构的破坏模式主要为失稳破坏。然而,蒙皮桁条结构失稳承载能力的精确计算本身就是一个强度分析技术的难题,更别提优化方法了。

    面对技术难关,强度组组长张希率领班组成员从基础做起,比较了大量蒙皮桁条结构失稳承载能力的计算方法,创新性地提出了“基于显式动力学的蒙皮桁条结构失稳计算方法”。这种方法有效地解决了蒙皮桁条结构在进行非线性失稳计算时无法解决的问题,在大火箭首件5米直径结构试验中得到了成功验证。

   一个星期干一个月的活

    大火箭的结构优化有了方法基础,下一步就是如何优化了。由于大火箭本身结构尺寸较大,计算模型复杂,结构优化又需要进行大量的轮次迭代计算,巨大的计算量摆在了强度组的面前。

    如果要确保计算精确,一个结构部段优化一次就需要一个月甚至几个月的时间,无法满足型号研制周期要求。为此,强度组又进行了大量研究,包括复杂模型的有效简化方法、高效并行计算的方法等。全体组员通过多方面的努力,终于将一次优化的时间控制在了一个星期以内,使结构优化真正可行。

    在捆绑接头和箱间段的优化过程中,结构设计首先根据设计经验给出了初始方案,之后强度组按照参数优化方法对结构设计的各种参数进行优化。然而,参数优化后的结构重量仍然无法满足要求。强度组通过大量调研,引入了先进的拓扑优化方法,从源头上进行传力路径优化,给出优化的结构形式,在此基础上再进行参数优化,终于获得了令人满意的结构。

   交出满意答卷

    在大火箭减重的过程中,强度组形成了开放、钻研、创新的技术氛围。每天晚上,办公室里都会传出大家讨论问题的声音。为了方便交流,组员们还建立了即时通信群,大家经常在晚上回到家后,通过通信群交流国内外各种强度分析新技术。

    最终,强度组采用先进的技术手段,奋战730个日夜,给大火箭一二级间段减重317公斤,整流罩减重218公斤,捆绑接头减重100公斤,一级氧箱减重50公斤,一级箱间段减重48公斤,再加上卫星支架、转接框、仪器舱等12个部段的减重,给大火箭成功“减肥”800余公斤。强度组完成了看似不能完成的任务,给型号研制任务交上了一份满意的答卷。

    “要有做到航天结构强度分析领域国际一流的目标”,强度组成员时常用这样的话激励自己,用行动践行着这句承诺。正是凭着这股钻研劲,强度组成员一步步攻克了航天结构强度分析过程中的各类难题,不断攀登上新的高峰。