close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка методики снижения акустического нагружения на полезную нагрузку в составе ракеты-носителя

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Попов Павел Александрович
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СНИЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО
НАГРУЖЕНИЯ НА ПОЛЕЗНУЮ НАГРУЗКУ В СОСТАВЕ
РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ
05.07.02 – Проектирование, конструкция и производство
летательных аппаратов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара 2018
1
Диссертационная работа выполнена в федеральном государственном
автономном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика
С. П. Королева» на кафедре автоматических систем энергетических установок.
Научный руководитель:
Иголкин Александр Алексеевич, доктор технических наук, доцент.
Официальные оппоненты:
Васильев Андрей Витальевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Самарский
государственный технический университет», кафедра «Химическая технология и
промышленная экология», заведующий кафедрой;
Зверев Александр Яковлевич, доктор физико-математических наук, федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского», отделение аэроакустики и экологии летательных аппаратов, ведущий научный сотрудник.
Ведущая организация:
Публичное акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королёва», г. Москва.
Защита диссертации состоится 25 декабря 2018 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.04 на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика
С.П. Королева», и на сайте: https://ssau.ru/resources/dis_protection/popov1.
Автореферат разослан
октября 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д 212.215.04
к.т.н., доцент
Прохоров Александр Георгиевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Одной из важнейших задач проектирования изделий ракетно-космической техники является прогнозирование акустического нагружения на элементы конструкции полезной нагрузки (ПН), входящей в состав космической головной части (КГЧ), представленной на рисунке 1.
При высоких уровнях акустических воздействий возникает необходимость выбора мероприятий, направленных на снижение нагружения. Разработка конструктивных мероприятий должна проводится с учётом конфигурации ПН, учётом
звукопоглощающих характеристик поверхности сборочно-защитного блока (СЗБ)
и ПН. Актуальность данных исследований подтверждается проводимыми в
настоящее время работами по повышению фактической звукоизоляции нового
СЗБ разработки АО «РКЦ «Прогресс» для научно-энергетического модуля
(НЭМ), который предполагается использовать совместно с ракетой-носителем
(РН) «Протон-М».
Данная работа посвящена разработке математической модели для оценки
снижения шума внутри СЗБ, созданию методики выбора параметров внутренней
компоновки звукопоглощающего материала для снижения акустического нагружения ПН в целях обеспечения
уровней, заданных в технической документации.
Степень разработанности темы исследования.
Вопросам прогнозирования акустического нагружения
посвящены работы Мунина А. Г., Ефимцова Б. М.,
Зверева А. Я., Боголепова И. И., Иванова Н. И.,
Лазарева Л. А., Горшкова А.Г., Григолюка Э. И.,
Шендерова Е. Л., Balena F. J., Barton C. K., Grosveld F.
W., Feit D и др. В исследованиях специалистов ЦАГИ
Мунина А. Г., Ефимцова Б. М., Зверева А. Я.,
Лазарева Л. А. решались задачи снижения шума в отсеРисунок 1 – Космиче- ках летательных аппаратов, в том числе РН и СЗБ. Реская головная часть, зультаты данных исследований содержат обширную
состоящая из СЗБ и ПН информацию о характеристиках обечаек и звукопоглощающих материалов для отсеков, таких, как звукоизоляция, коэффициенты звукопоглощения, механических потерь, постоянных затухания и постоянных распространения. Однако в этих работах отсутствуют данные о
влиянии формы космического аппарата (КА), находящегося под цилиндрической
оболочкой СЗБ. В работах Иванова Н. И. были представлены соотношения для
определения интенсивности звука, распространяющегося, например, от плоского
источника в различные направления. В данной работе не рассматривались процессы переотражения акустических волн, характерные для замкнутого пространства, и не учитывалась кривизна оболочки.
В работах Боголепова И. И., Balena F. J., Barton C. K., Grosveld F. W., Feit D.
рассматривались вопросы использования звукопоглощающих материалов, наносимых на стрингерные и композитные оболочки судов и летательных аппаратов.
В то же время в этих работах не рассматривались вопросы частичного нанесения
звукопоглощающего материала (ЗПМ) на поверхность изделия, хотя данный вопрос может быть актуален при недостатке запаса массы выводимого КА. В рабо3
тах Горшкова А. Г., Григолюка Э. И., Шендерова Е. Л. решались связные упругоакустические задачи колебания оболочек в газовой или жидкой среде, в то же
время в них не учитывалось влияние коэффициентов поглощения акустической
энергии поверхностями. В этой связи возникла необходимость в разработке методики снижения акустического нагружения на полезную нагрузку в составе РН,
учитывающей упомянутые факторы. Исходя из вышесказанного, были сформулированы цель и задачи исследования.
Цель работы. Снижение акустического нагружения полезной нагрузки в
составе ракеты-носителя путём разработки конструктивных мероприятий на основе математического моделирования и экспериментальных данных.
Задачами работы являются:
1) анализ источников акустических воздействий на элементы полезной
нагрузки в составе ракеты-носителя;
2) анализ методов и средств снижения акустического нагружения;
3) разработка математической модели для вычисления звуковых энергий
внутри сборочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустических воздействий, позволяющая прогнозировать эффективность
внедрённых мероприятий;
4) создание и апробация методики снижения акустического нагружения полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, позволяющая выполнить технические требования к изделию;
5) проведение экспериментальных исследований эффективности предложенных мероприятий, направленных на снижение акустического давления.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в получении
следующих результатов:
1) разработана математическая модель для вычисления звуковых энергий
внутри сборочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустических воздействий, учитывающая различную площадь нанесения
ЗПМ и конфигурацию космических аппаратов, позволяющая прогнозировать эффективность внедрённых мероприятий;
2) получены аналитические функции характеристического пути потока акустической энергии, движущегося в сторону космического аппарата определённой
конфигурации;
3) создана и апробирована методика снижения акустического нагружения
полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, учитывающая характеристики
СЗБ, в который данная полезная нагрузка установлена с учётом имеющихся ограничений по массе КГЧ, позволяющая выполнить технические требования к изделию.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в получении математических моделей и разработке
методики, позволяющих снижать акустическое нагружение.
Практическая значимость работы состоит в том, что с помощью предложенной методики путём выбора параметров звукопоглощающего материала снижено акустическое нагружение внутри конкретных СЗБ до необходимых уровней.
4
Методология и методы исследований. В рамках данной работы были использованы экспериментальные и теоретические методы исследования акустического нагружения КА. При экспериментальных исследованиях измерения акустического давления проводилось с помощью системы сбора информации «СКУТ»
разработки АО «НПО ИТ» в различных конструктивных зонах пространства под
СЗБ. Создан комплекс программных средств для анализа полученной телеметрической информации, включающий, в том числе, анализатор быстроменяющихся
акустических процессов. Теоретические методы исследования акустического
нагружения проведены с применением элементов акустической теории, энергетического метода, теории рядов, матричного метода.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель для вычисления звуковых энергий внутри сборочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустических воздействий, учитывающая различную площадь нанесения ЗПМ и
конфигурацию космических аппаратов и позволяющая прогнозировать эффективность внедрённых мероприятий.
2. Аналитические функции характеристического пути потока акустической
энергии, движущегося в сторону космического аппарата определённой конфигурации.
3. Методика снижения акустического нагружения полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, учитывающая характеристики СЗБ, в который данная полезная нагрузка установлена с учётом имеющихся ограничений по массе КГЧ,
позволяющая выполнить технические требования к изделию.
4. Программа для нахождения звукоизоляционных характеристик многослойных конструкций на основе метода «обратной матрицы».
5. Программное обеспечение, позволяющее проводить обработку быстроменяющихся акустических временных процессов при лётной эксплуатации космической головной части в составе ракеты-носителя.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной физической и математической
постановкой задач, сопоставлением результатов с результатами других исследователей и подтверждением расчётных данных экспериментами проведёнными
при лётно-конструкторчких испытаниях на изделиях-прототипах. Экспериментальные исследования проведены на поверенном оборудовании с использованием
современных методик сбора и обработки исходной информации.
Результаты исследований апробированы в рамках «Конкурса идей среди
молодых работников ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»; в рамках «Третьей
международной научно-технической конференции по «Динамике и виброакустике машин»; в рамках VI Всероссийской научно-практической конференции с
международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации»; в рамках
II Всероссийской акустической конференции, совмещённой с XXX сессией Российского акустического общества; в рамках «Пятой открытой Всероссийской
(XVII научно-технической) конференции по аэроакустике». При непосредственном участии автора были разработаны, выпущены и согласованы с заинтересованными предприятиями и заказчиками следующие документы, регламентирующие режимы акустического нагружения изделий разработки АО "РКЦ "Про5
гресс": нормы эксплуатационных требований по режимам механических воздействий на РН Русь-М (2011 г.), СЗБ под НЭМ (2017 г.), РН «Союз-5» (2018 г.) и др.
Диссертационная работа заслушана и одобрена в 2018 г. на расширенном заседании научно-технического совета кафедры автоматических систем энергетических
установок Самарского университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4
статьи в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки
России, и 2 статьи в изданиях, индексируемых в базе данных WoS.
Личный вклад соискателя. Диссертация написана по результатам исследований, выполнявшихся в Самарском университете (до 2016 года Самарский
государственный аэрокосмический университет) в период с 2011 по 2018 гг.
непосредственно автором. Общий объем публикаций составляет 6 печатных листов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка
литературы, двух приложений. Общий объём диссертации составляет 150 страниц, 69 рисунков, 13 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель, приведены решённые задачи, сформулирована научная новизна, дана характеристика теоретической и практической значимости работы, описаны методы
исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведён анализ источников акустических нагрузок и существующих способов снижения шума внутри летательных аппаратов (ЛА). Анализ исследований в этой области показывает, что в настоящее время существует
несколько способов снижения акустического нагружения средствами стартового
комплекса (СК) и конструкцией космической головной части (рисунок 2).
Рисунок 2 – Способы снижения акустического нагружения
Специалистами ЦНИИМаш Кудрявцевым В. В., Хотулёвым В. А., Сафроновым А. В. отмечено, что снижение нагружения средствами СК должно быть
предусмотрено на начальных этапах разработки РН к условиям стартового ком6
плекса, который, в свою очередь, разрабатывается под нужды РН. Реализация
данных мероприятий сопровождается как техническими проблемами, так и значительными финансовыми затратами. Задача, которая решается в рамках данной
диссертации – это обеспечение требований по уровню акустического давления
(АД) для КА под условия уже существующих РН, эксплуатируемых на имеющихся космодромах. Поэтому в рамках данной проблематики становятся наиболее актуальными методы снижения акустического нагружения средствами СЗБ и
ПН. В работах специалистов ЦАГИ Ефимцова, Б. М., Мунина А. Г., Зверева А. Я.
отмечено, что большинство способов базируется на увеличении инерционных,
жесткостных, демпфирующих и поглощающих свойств материалов, однако увеличение характеристик ограничено и может привести к недостаточному запасу
массы выводимой ПН. В этой связи возникает необходимость нахождения возможных проектных решений, которые бы позволили выполнить, с одной стороны, ограничения по массе и центровке ПН и СЗБ в составе РН, а с другой - требования по акустическому нагружению.
Для достижение цели и решения поставленных задач необходим комплексный учёт таких факторов, как влияние формы ПН, находящейся под СЗБ, учёт
процесса распространения акустической энергии в замкнутом пространстве, учёт
частичного нанесения звукоизоляционного материала на поверхность изделий в
комплексе с влиянием коэффициентов поглощения акустической энергии соответствующими поверхностями.
Во второй главе представлена разработанная математическая модель для
вычисления звуковых энергий внутри сборочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустических воздействий. Приведён пример
расчёта значений звуковых энергии, действующих на цилиндрическую поверхность (рисунок 3). Внешний цилиндр представляет собой обечайку СЗБ, внутренний – имитирует КА. Предполагается, что поверхность СЗБ излучает во внутреннее пространство акустическую энергию мощностью N=N(D,c,η), тогда интенсивность звука в точке на поверхности СЗБ:
N
,
I=
(1)
2πRH
где D, c, η – толщина ЗПМ, скорость звука в материале, коэффициент потерь
ЗПМ, R – радиус СЗБ, Н - высота цилиндрической части СЗБ.
Акустическая мощность, излучаемая элементарной площадкой ds, из (1)
представится в виде:
N
N
=
dN =
ds
Rdφ dz.
(2)
2π RH
2π RH
Поток акустической энергии, прошедшей через ds, прошёл путь SS’ (рисунок 3):
| SS ' |2 = R 2 + r 2 − 2 Rr cos(ϕ ) + z 2 ,
где r – радиус КА; z, φ – соответственно продольная координата и полярный угол,
по которым производят интегрирование.
Интенсивность звука на поверхности КА с у чётом рассеяния стала равной:
7
I
КА
H arccos( r / R )
N
Rdφ dz.
∫
π
Ω
⋅
2
RH
Ф
(
)
0 − arccos( r / R )
=∫
(3)
где Ω - пространственный угол излучения акустической энергии, Ф(·) = |SS’|2 функция характеристического пути потока акустической энергии, движущегося в
сторону космического аппарата.
Интегрирование (3) производится по высоте СЗБ и по сектору, куда может
попасть поток акустической энергии. После многократных отражений от поверхности КА и СЗБ суммарная интенсивность звука стала равной:
H arccos(r/R)
1
a КА )i -N (1 --(1 a СЗБ )i 1 (2 a КА )
∞
КА
I Σ = ∑ i =1 ∫ ∫
Rdφ dz ,
(4)
2
⋅
π
RH
i
Ф
(2
)
(2
1)
(
)
0 -arccos(r/R)
где αКА, αСЗБ - коэффициенты поглощения акустической энергии соответственно
внешней поверхностью КА и внутренней поверхностью СЗБ.
Формула (4) представляет собой математическое описание
процессов падения и отражения акустической энергии
внутри СЗБ на КА в форме цилиндра. Аналогичные рассуждения для случаев усечённого
конуса, пирамиды параллелограмма или сферы показывают, что данная формула является обобщённой с учётом
Рисунок 3 - Система «СЗБ-КА» в виде
функций Ф(·), представленных
цилиндрических поверхностей
в таблице 1.
Таблица 1 - Функции характеристического пути потока акустической энергии
Ф(·), движущегося в сторону КА определённой конфигурации
Форма КА
Функция Ф (·) в формуле (4)
Цилиндр
R 2 + r 2 − 2 Rr cos(ϕ ) + z 2
Сфера
R 2 + r 2 − 2 Rr cos(ϕ ) + z 2 cos 2 (ϕ ) sin 2 (φ )
Конус
R 2 + ( r − zctg (α )) 2 − 2 R( r − zctg (α )) cos(ϕ ) + z 2
Куб
((a / 2)tg (φ ) − R sin(ψ )) 2 + ( R cos(ψ ) − a / 2) 2 + z 2
Пирамида
(a / 2 − zctg (θ ))tg (φ ) − R sin(ψ )) 2 + ( R cos(ψ ) − a / 2 + zctg (θ )) 2 + z 2
Примечание: R - радиус СЗБ; r, a - поперечные размеры КА; z, ψ, ϕ, φ - координаты интегрирования; θ - угол наклона.
В диссертационной работе показано, что если рассматривать неоднородную
поверхность излучающей оболочки с n неоднородностями размерами zk, φk, то
формула (4) преобразуется к виду:
n
∞
N k Σ (1 − α1 ) i −1 (1 − α 2 k ) i −1 ( 2 − α1 )
Σ
I = ∑∑i =1 ∫ ∫ (
Rdϕdz ),
(5)
d
Ω
RH
i
−
Ф
⋅
(
2
1
)
(
)
k =1
k
k
zk ϕ k
8
где Nk = N110(Rk - R1)/10; N1 – мощность акустического потока напротив фиксированной неоднородности СЗБ; Rk - R1 – разность звукоизоляций неоднородных участков СЗБ; α2k – коэффициент поглощения k-й неоднородной поверхности СЗБ.
При анализе величин, представляющих разность локальных звукоизоляций
Rk - R1, использован алгоритм метода «обратной матрицы», который раскрыт в
блок-схеме, представленной на рисунке 4, и в дополнительных комментариях к
данной блок-схеме.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Рисунок 4 – Блок-схема программы для нахождения звукоизоляционных
характеристик многослойных конструкций
В строке (1) представлены исходные данные: толщины слоёв D(i), скорость звука
в слое с(i), коэффициенты потерь в каждом слое, плотности сред, угол падения
акустической волны на конструкцию α(1), количество слоёв ks. Затем происходит
вычисление углов падения (прохождения) в каждой среде α(i) по формуле, выражающей закон Снеллиуса:
c (i )
a (i ) = arcsin(
sin(a (i − 1))) .
c(i − 1)
9
В строке (2) представлена формула для вычисления отклонения y(i) акустической
волны, прошедшей в i-ю среду из (i-1)-й по формуле:
y (i ) = y (i − 1) + ( D (i ) − D (i − 1))tg (α (i )).
В строках (3)-(6) формируется импедансная матрица из коэффициентов при акустических давлениях (строки (3), (4) и (5)) и при акустических скоростях (строки
(4) и (6)). В строке (7) формируются неизвестные значения акустических давлений, в строке (8) формируется правая часть матричного уравнения. В блоке (9)
рассчитываются искомые значения звукоизоляции.
В третьей главе описывается методика снижения акустического нагружения полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, учитывающая характеристики
СЗБ, в который данная полезная нагрузка установлена с учётом имеющихся ограничений по массе КГЧ, позволяющая выполнить технические требования к изделию.
На рисунке 5 представлена блок-схема методики. Блок 1 содержит исходные
данные (ИД) по проектируемому СЗБ: перечень физических и геометрических параметров, которые изначально были заложены в проектное изделие; блок 2 содержит ИД по штатному изделию (если такое изделие имеется), относительно которого подбираются характеристики необходимой площади покрытия; блок 3 содержит
ИД по имеющимся (нормативным) и требуемым (целевым) акустическим воздействиям; блоки 4 и 5 содержат расчёт (эксперимент) и результаты расчётов (экспериментов) локальной звукоизоляции акустического давления (АД) через многослойную обечайку штатного и проектируемого СЗБ; блок 6 содержит вычисление
разностей между локальными звукоизоляциями для дальнейшего использования
их для выбора площади в рамках энергетического подхода (блоки 7, 8).
Если расчёты показали достаточные значения звукопоглощения (блок 9),
то выявляется запас по акустическому давлению на рассматриваемой частоте блок 11, если нет, то вычисляется коэффициент между требуемым и получившимся значениями АД и, исходя из этого, подбирается увеличенная толщина
ЗПМ или выбирается другой материал (блок 10). Предполагаемые конструктивные мероприятия могут быть не реализованы, если, в свою очередь, не выполняются ограничения, связанные с массовыми и центровочными характеристиками.
В блоке 12 проводится формирование данных ограничений:
1) ограничения по массе для возможного нанесения ЗПМ на обечайку СЗБ
или ПН формируются исходя из запаса массы, при котором ракета-носитель может выполнить полётное задание. Пусть ρk, Sk, hk – плотности, площади и толщины различных неоднородных участков ЗПМ, k=1…n. Зафиксируем комплекс ρф,
Sф, hф (индекс «ф» - фиксированное) для некоторого участка ЗПМ, который нужно подобрать для выполнения требований по акустическим нагрузкам. Площадь
Sф определяется по формуле:
n −1
Sф ≤ ( M − ∑ ρ k S k hk ) ρ ф hф ,
k =1
где M – ограничение по массе;
10
(6)
2) центровочное ограничение для возможного нанесения ЗПМ на обечайку
СЗБ или ПН формируется
исходя из возможности
перемещения центра масс
по продольной оси СЗБ.
Пусть mПН – масса ПН,
mСЗБ – масса сборочнозащитного блока, xПН – координата центра масс ПН,
xСЗБ – координата центра
масс СЗБ. Тогда для координаты центра масс космической головной части
*
(КГЧ) xКГЧ
, являющейся
связкой СЗБ и ПН, с ЗПМ
можно
написать:
*
=
xКГЧ
mПН xПН + (mСЗБ + mЗПМ ) xСЗБ
. (7)
mПН + mСЗБ
С учётом (7) сформулируем центровочное ограниРисунок 5 - Блок-схема методики выбора
чение:
*
звукоизоляционных характеристик
− x КГЧ ≤ d , (8)
x КГЧ
где d –допустимое пере мещение координаты центра масс по продольной оси СЗБ.
С учётом (6)-(8) ограничение по массе имеет вид:
m ( − x ПН + x КГЧ + d ) + mСЗБ ( − xСЗБ + x КГЧ + d )
M ≤ ПН
.
(9)
mСЗБ − x КГЧ − d
Формулы (6), (8), (9) представляют собой массово-центровочные ограничения, из которых выбирается допустимая площадь ЗПМ.
В блоке 13 формируется акустическое ограничение вида:
I ( f ) ≤ I норм ,
(10)
2
I норм = pнорм
ρс ,
которое представляет собой непревышение функцией интенсивности I ( f ) величины I норм , зависящей от акустического давления pнорм и акустического сопротивления воздуха ρс. В блоке 14 производится выбор площади ЗПМ для конкретной
частоты. В рамках блока 15 должны быть рассмотрены все критические частоты.
В блоке 16 производится расчёт площадей ЗПМ, в блоке 17 производится выбор
максимальной площади ЗПМ для удовлетворения требований по акустическим
воздействиям на всех критических частотах.
С использованием представленной методики, в частности, были получены
характеристики ЗПМ на основе пенополиуретана ППУ-35, позволившие удовле11
творить проектные требования разработчика КА, снизив эксплуатационные значения АД, полученные по результатам измерений под СЗБ без ЗПМ (таблица 2).
Таблица 2 – Уровни акустических давлений
Частота, Гц
Проектные требования для КА, дБ
Результаты измерений под СЗБ без ЗПМ, дБ
250
136
138
500
134
137
1000
125
130
2000
122
122
4000
122
121
На основании исходных данных и алгоритма, приведенного на рисунке 4,
были получены характеристики локальных звукоизоляций, представленные на
рисунке 6.
С учётом фактических параметров звукопоглощения, формул (4), (5)
и условия (10) можно записать следующие ограничения для диапазонов
частот с центральными частотами
250, 500, 1000 Гц, для которых имеются превышения по акустическим
воздействиям:
I ( f ) I норм ≤ 10− ∆ i ( f ) / 10 ,
(11)
Рисунок 6 – Характеристики локальных
где ∆i(f)- минимальная величина, на
звукоизоляций
которую нужно снизить акустическую
нагрузку, которая в зависимости от частоты в рассматриваемом случае равна 2, 3,
5 дБ, соответственно; i=3 – количество критических диапазонов частот. Из условия (11) было получено, что для удовлетворения требований по акустическим
воздействиям необходимо произвести монтаж ППУ-35 толщиной 70 мм и 120 мм
(таблица 3).
Таблица 3 – Рассчитанные площади утолщённого ЗПМ
для различных диапазонов частот
Частота, Гц
250 500 1000
2
Площади ЗПМ толщиной 120 мм, м
12,6 14,4 9,0
2
Площади ЗПМ толщиной 70 мм, м
5,6
8,8 7,2
Из ограничений (6), (8), (9) получена допустимая масса ЗПМ, которую
можно применить для снижения акустических нагрузок при исходных данных,
соответствующих данному СЗБ (таблица 4).
Таблица 4 - Данные по СЗБ
mПН, кг xПН, м
mСЗБ, кг xСЗБ, м
S, м2
h,мм
d, м
xКГЧ, м
5580
2,4
1117
3,12
66
20
0,29
2,6
Примечание: S - площадь поверхности СЗБ, h- основная толщина ППУ-35.
Полученная допустимая масса ППУ-35 не должна превышать 163,4 кг, что
соответствует площади нанесения 38,9 м2 для толщины ЗПМ 120 мм. Сравнение
результатов, полученных в таблице 3, показывает, что имеется достаточный запас для проведения мероприятий по снижению акустических воздействий.
12
В этой связи были предложены следующие конструктивные мероприятия
(рисунок 7): 1) установить на цилиндрической поверхности СЗБ напротив
КА материал ППУ-35 толщиной 120
мм, площадью 14,4 м2; 2) установить на
поверхности СЗБ материал ППУ-35
толщиной 70 мм, площадью 8,8 м2; 3)
установить на поверхности СЗБ материал ППУ-35 толщиной 20 мм, площадью 42,8 м2; 4) для дополнительного
дифракционного рассеивания акустической энергии на конической части СЗБ
произвести монтаж ППУ-35 различной
толщины 20 мм и 70 мм, размер ячеек
750 мм на 500 мм. Результаты натурных экспериментов показали достаточное снижение акустических нагрузок, Рисунок 7 – Реализованные конструкдостигающее в разных диапазонах тивные мероприятия на створке СЗБ
спектра от 5 до 10 дБ.
В четвёртой главе проведен анализ результатов лабораторных и натурных экспериментов на штатных образцах обечаек сборочно-защитного блока, в
том числе с различным по толщине нанесением звукопоглощающего материала
ППУ-35. Полученные данные были использованы при определении коэффициента потерь для материала ППУ-35, необходимого для расчёта звукоизоляции неоднородных участков СЗБ (рисунок 8).
а
б
Рисунок 8 - Оценка коэффициента потерь η для ЗПМ ППУ-35 при его установке
на композитную обечайку СЗБ: а –толщина ППУ 20 мм, б – толщина ППУ 50 мм
На рисунке 9 представлены результаты натурных измерений акустического давления, действующего внутри сборочно-защитного блока. Для получения
данных результатов был проведен выбор датчиков и их расстановка на элементы
конструкции изделий. На основе теории рядов Фурье разработано программное
обеспечение, позволяющее проводить обработку быстроменяющихся акустических временных процессов, проведен инженерный анализ. В результате исследо13
ваний были обнаружены близкие значения расчётных и экспериментальных октавных уровней акустических давлений в диапазонах частот октавного спектра
250 ... 2000 Гц (рисунок 9).
б
а
Рисунок 9 - Уровни акустического давления под СЗБ с ЗПМ
для объектов в форме: а- цилиндра; б - прямоугольного параллелепипеда
До частоты 250 Гц обнаружены отличия свыше 5 дБ, которые объясняются тем,
что предложенная методика может считаться применимой в полосе частот, где
наблюдается достаточно высокая плотность акустических мод. Данная полоса
характеризуется минимальной частотой FМ для пространства под оболочкой объёмом V с учётом вытесненного рассматриваемыми объектами воздуха. FМ определяет границу применимости представленной методики и вычисляется по формуле Майера:
FМ = 1000 3 V .
Частоты FМ для различных СЗБ разработки АО «РКЦ «Прогресс» при 50% их заполнении полезной нагрузкой представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Частоты Майера для СЗБ разработки АО «РКЦ «Прогресс» при 50%
их заполнении полезной нагрузкой
Диаметр СЗБ, м
4,11 м
3м
3,3 м
Частота, Гц
230
310
291
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе решена научно-техническая задача выбора параметров звукопоглощающего материала, имеющая существенное значение при
проектировании изделий ракетно-космической техники.
Получены следующие основные результаты:
1. Разработана математическая модель для вычисления звуковых энергий
внутри сборочно-защитного блока до и после проведения мероприятий по снижению акустического нагружения, учитывающая различную площадь нанесения
ЗПМ и конфигурацию космических аппаратов. Результаты вычислений позволили получить характеристики ЗПМ и снизить нагружение на ПН по суммарному
уровню на 3, 6, 10 дБ для различных СЗБ.
14
2. Получены аналитические функции характеристического пути потока
акустической энергии, движущегося в сторону космического аппарата определённой конфигурации.
3. Создана и апробирована методика снижения акустического нагружения
полезной нагрузки в составе ракеты-носителя, учитывающая характеристики
СЗБ, в который данная полезная нагрузка установлена с учётом имеющихся ограничений по массе КГЧ, позволившая произвести выбор ЗПМ для СЗБ и выполнить требования технической документации на КА.
4. Разработано программное обеспечение на основе модели «обратной
матрицы», позволяющее находить локальные звукоизоляционные характеристики
многослойных конструкций сборочно-защитных блоков (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014613979 «Программа для
нахождения звукоизоляционных характеристик многослойных конструкций на
основе метода «обратной матрицы»).
5. Проведен анализ лабораторных исследований звукоизоляционных характеристик экспериментальных панелей сборочно-защитного блока с учётом ЗПМ
разной толщины и без ЗПМ. На основе проведенного анализа, в том числе с применением предложенного алгоритма, основанного на модели «обратной матрицы», получены коэффициенты потерь для используемого в настоящее время ЗПМ
ППУ-35, которые в разных диапазонах спектра оказались равны 0,025 ... 0,5.
6. Для проведения натурных экспериментов получены параметры акустического давления на элементах конструкции сборочно-защитных блоков и на различных полезных нагрузках:
6.1. Проведен выбор амплитудно-частотных характеристик датчиков и
осуществлена расстановка датчиковой аппаратуры на элементы конструкции изделий для получения быстроменяющихся акустических временных процессов.
6.2. Разработано программное обеспечение, позволяющее проводить обработку быстроменяющихся акустических временных процессов при лётной эксплуатации сборочно-защитного блока и полезной нагрузки в составе ракетыносителя (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2017662108 «Программное обеспечение для обработки акустических сигналов»).
6.3. Проведена математическая обработка и инженерный анализ полученных в рамках лётно-конструкторских испытаний быстроменяющихся акустических временных процессов на изделиях.
7. Получены границы применимости разработанной методики и математической модели. Математическая модель даёт достоверный результат выше граничной частоты, определяемой формулой Майера.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
I Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Попов, П. А. Оценка изменения звукоизоляционной способности головного
обтекателя ракеты-носителя при наличии различных по толщине слоёв звукопоглощающих материалов /П. А. Попов// Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева.- 2012. - №4.- С.103-110.
2. Попов, П. А. Конструктивные мероприятия по снижению акустического давления внутри изделий ракетно-космической техники / П. А. Попов, А. А. Синдюков//
15
Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева. - 2014.- №1. - С.68-79.
3. Попов, П. А. Расчёт звукоизоляции многослойной конструкции на основе метода «обратной матрицы» / П. А. Попов, А. А. Синдюков, А. С. Осипов// Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика
С. П. Королева.- 2014.- №3. - С.53-60.
4. Popov, P. A. A method for sizing noise protective unit design features / P.A. Popov,
R.V. Zimnyakov, A.A. Igolkin// Procedia Engineering. - 2017.- №176. - P.718-723.
II Публикации в прочих изданиях:
5. Попов, П. А. Расчёт акустического поля на поверхности объекта сложной конфигурации внутри излучающей цилиндрической оболочки / П. А. Попов, А. А. Иголкин, Е. В. Шахматов// Акустический журнал. - 2018. - Т. 64, № 5.- С. 1–7.
6. Попов, П. А. Метод выбора параметров внутренней компоновки сборочнозащитного блока для снижения акустического нагружения полезной нагрузки/ П. А.
Попов, А. А. Иголкин// Сборник трудов VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации»
(г. Санкт-Петербург, 21-23 марта 2017 г.).- С. 300-308.
7. Попов, П. А. Применение энергетического подхода при решении задач снижения шума внутри сборочно-защитного блока для космических аппаратов различной
конфигурации/ П. А. Попов, А. А. Иголкин, А. Н. Крючков// Сборник трудов II Всероссийской акустической конференции, совмещённой с XXX сессией Российского акустического общества (г. Нижний Новгород, 2017 г.).- С.1364-1369;
8. Попов П. А. Повышение звукоизоляции конструкции головного обтекателя ракеты-носителя «Союз»/ П. А. Попов, А. А. Иголкин// Сборник трудов Пятой открытой
Всероссийской (XVII научно-технической) конференция по аэроакустике (г. Москва,
2017). - С.221-222.
9. Попов, П. А. Выбор параметров звукопоглощающего материала для сборочнозащитного блока типа 81КС/ П. А. Попов, А. А. Иголкин// Тезисы конференции «Динамика и виброакустика машин, DVM2018» (г. Самара, 2018 г.).- С. 86-87.
10. Попов, П. А. Модельный и конечно-элементный методы исследования звукоизоляции отсеков космического модуля/ А. В. Кузнецов, П. А. Попов, А.А. Иголкин, В.
М. Муртазин// Тезисы конференции «Динамика и виброакустика машин, DVM2018»
(г. Самара, 2018 г.). - С.57-58.
11. Попов, П. А. Программа для нахождения звукоизоляционных характеристик
многослойных конструкций на основе метода «обратной матрицы». / П. А. Попов, А. А.
Синдюков, А. С. Осипов// Свидетельство о государственной регистрации программы
для ЭВМ №2014613979, выданное Федеральной службой по интеллектуальной собственности. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.04.2014.
12. Попов, П. А. Программное обеспечение для обработки акустических сигналов. / П. А. Попов, А. А. Иголкин// Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017662108, выданное Федеральной службой по интеллектуальной
собственности. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.10.2017.
16
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
15
Размер файла
688 Кб
Теги
ракета, методика, нагружения, разработка, снижения, носителях, состав, акустического, нагрузки, полезную
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа