液体火箭的纵向耦合振动POGO研究.pdf

硕士学位论文


液体火箭的纵向耦合振动(POGO)研究
RESEARCH OF POGO VIBRATION IN
LIQUID ROCKETS




严海













哈尔滨工业大学
2009年6月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开





工学硕士学位论文


液体火箭的纵向耦合振动(POGO)研究





硕士研究生:严海
导师:方勃教授
申请学位:工学硕士
学科:一般力学与力学基础
所在单位:飞行器动力学与控制研究所
答辩日期:2009 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
:



Dissertation for the Master Degree in Engineering



RESEARCH OF POGO VIBRATION IN
LIQUDID ROCKRTS







Candidate: Yan Hai
Supervisor: Prof. Fang Bo
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: General and Fundamental Mechanics
Affiliation: Spacecraft Dynamics and Control
Institute
Date of Defence: June, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
POGO 振动是大型液体火箭飞行过程中遇到的一个不容忽视的低频振动问
题,属于流固耦合动力学研究范畴。典型的 POGO 现象是一种由大型液体火
箭的结构纵向振动与推进剂管路系统(简称推进系统)相互作用而产生的不稳定
的闭环自激振动。
POGO 振动使得火箭的振动环境恶化,对于结构系统,可能造成箭上敏感
元件及仪器设备受损或结构超限;对于推进系统,所伴随的推进系统压力和流
量脉动可以产生各种有害效应,降低推进系统的性能,甚至造成事故的发生;
对于载人航天,还会使航天员遭受到超出人体承受能力的振动。因此,能否抑
制 POGO 振动已成为当代航天运载器的重要设计条件之一,也是人类能否进
入宇航飞行的前提之一。本文从形成机理、结构系统建模、推进系统建模、稳
定性分析和贮气型蓄压器设计等方面系统的研究了 POGO 振动及其预防措
施。
首先通过一个自由-自由的两质量块-弹簧-阻尼系统阐明了 POGO 振动形
成的机理。紧接着,针对 POGO 振动的特性,将航天运载器分为两个系统:
结构系统和推进系统,分别建立了两个系统的模型并进行了分析。对于结构系
统,建立了一个质量-弹簧模型;对于推进系统,建立了一个统一的蓄压器-推
进系统模型,分析了蓄压器安装位置和柔度对推进系统固有频率的影响。在此
基础上,介绍了用于分析 POGO 振动稳定性的方法,并结合一个实例,利用
临界阻尼比法,分析了系统的稳定性。分析结果表明,临界阻尼比的增大会导
致火箭结构系统失稳, 而增大蓄压器柔度可降低临界阻尼比,提高系统稳定
性;产生 POGO 振动时,结构振动的加速度响应最大,且推力脉动与加速度
响应的相位差为-π/2;蓄压器在推进系统上的安装位置对 POGO 抑制有重要影
响,并给出了蓄压器安装的最佳位置。
此外,建立了一个贮气型蓄压器的动力学模型,研究了蓄压器对推进系统
固有频率的影响以及蓄压器消减推进系统压力脉动的作用,并给出了在已知降
频要求和消减压力脉动要求的情况下,确定蓄压器参数的方法。

关键词液体火箭;POGO 振动;蓄压器;固有频率;稳定性
- I -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
POGO vibration is a low-frequency vibration problem which can not be
ignored in the course of liquid rocket flight, it belongs to fluid-solid coupli