运载火箭整流罩降噪试验技术研究

运载火箭整流罩降噪试验技术研究

摘要：运载火箭不管是在发射时，还是在实际飞行中都会产生较大的噪声，如发射时的喷流声和飞行时的气动声，这些外噪声又会经过蒙皮振动声辐射以及声透射转变为整流罩当中的内噪声。如若内噪声超过一定限度，就会令一些精密仪器以及有效载荷受到破坏，不仅会使系统可靠性大幅下降，而且可能会导致某些仪器彻底失效。本文围绕运载火箭，针对其中的整流罩内噪音，在降噪技术试验研究基础上，探究如何对其加以优化。关键词：整流罩；运载火箭；降噪技术；试验研究；优化策略引言整流罩对于运载火箭而言是不可或缺的重要部分，它能够对卫星或者是其他有效载荷起到很好的保护作用，能够令其免受一些有害环境的不良影响。有关数据表明，近六成卫星发射失败都与运载火箭当中的整流罩内噪声有关，很多国家为了尽可能对其内噪声环境加以改善，减少不必要的结构，越来越多地应用起了复合材料结构，但这并未对其内噪声环境做出“质”的改变，还是需要依靠行之有效的降噪技术才能切实改善其噪声环境。一、降噪技术的试验研究针对运载火箭当中的整流罩内噪声而提出的此降噪技术，主要是依靠轻质多孔材料本就具有的吸声特性，利用吸音芳纶棉以及轻质泡沫在其整流罩的内壁进行铺设，以此实现对噪声的控制。（一）降噪材料该降噪技术所应用到的多孔吸声材料本身就有许多均匀分布且彼此连通的小孔，进而当声波途径其表面时，有的在其表面发生反射，有的透入进去继续传播，透入进去的声波使得小孔当中的空气发生运动，持续摩擦孔壁，在热传导效应以及粘滞性的共同作用下，把原有的声能变成了热能进行耗散。一般而言，吸入声能和入射声能的比值在0和1之间，这个比值越大则代表吸声性能越好，比值在0.5及以上的吸声材料是相对理想的。考虑到运载火箭当中整流罩既定的静包络空间、轻质化等设计要求，会基于吸声材料参数来择优选择降噪材料。为了尽可能避免材料脱落产生不必要的多余物，往往会在其表面以聚铁亚胺膜进行包覆，经过吸声系数的相关测试发现，轻质泡沫要比吸音芳纶棉的吸声效果好很多。（二）试验方案首先，查看试验状态。为了试验研究更加真实有效，按照实际尺寸将整流罩结构、仪器舱以及仪器舱等所有相关试验件全都放在足够大的混响室内，如图1所示，于其四周均匀设置外噪声测点，共计四个，以四点平均的控制法，来闭环反馈控制其外部的噪声环境，对其内部设置内噪声测点，共计十三个。先小量级地试验，看看试验品以及与之相关的测量系统处于何种状态，而后再大量级地试验，看看其在正式的噪声量级之下，有无显著降噪效果。图1运载火箭整流罩放置在混响室内的试验状态图其次，布置降噪材料。把吸声芳纶棉以及轻质泡沫这些降噪材料进行切割，变成三十厘米长、二十厘米宽的长方形，以聚铁亚胺膜进行包覆，将这些处理好的降噪材料铺设在其内壁面，如图2所示。基于降噪性能、位置关系、规避特殊位置、安全性等多方面考量，在其倒锥段内壁面以及柱段进行降噪材料的布置。图2运载火箭整流罩内壁铺设降噪材料的效果图最后，验证降噪效果。通过不进行降噪材料铺设、铺设轻质泡沫材质的降噪材料、铺设吸声芳纶棉材质的降噪材料这三种不同的试验状态来验证该降噪技术有无效果，将不同状态下获取的试验数据取平均值。根据声压级变化可知，超过五百赫兹后，铺设降噪材料能够实现5dB到10dB的降噪效果，低于五百赫兹就没有那么好的降噪效果，这与其吸声系数的规律是一致的，结合总声压级可知，轻质泡沫相较于吸声芳纶棉而言，有着更好的降噪效果。二、降噪技术的优化策略（一）注重内噪声的环境改善我国航天领域现如今呈现出军民融合的显著趋势，很多民营的航天企业崛起，航天领域正处于商业市场化的大环境中，其中的竞争是非常激烈的，要想在运载火箭的激烈竞争中占据一席之地，绝不能只凭低廉的价格，更要注重内噪声的环境改善。（二）结合整流罩的回收技术在整流罩当中切实应用降噪技术，势必会令其整体质量有所增加，与此同时也会降低其有效载荷质量，无论是被动还是主动降噪技术都免不了要大幅度地提升其造价。而将其结合整流罩的回收技术，能够有效应对上述问题，更有助于降噪技术日后的试验研究以及实际应用。（三）综合运用降噪技术运载火箭不管是在刚刚发射时，还是在实际飞行中仅靠一种降噪方式是难以达到既定效果的，有必要借助多种被动降噪技术来对特定频段进行大幅度的降噪，利用主动降噪技术对其入内透射声进行抑制，与此同时对于有效载荷的差异性需求，用不同降噪技术进行灵活搭配，以此在降噪技术的综合运用中，尽可能避免运载火箭的发射失败。（四）对整流罩的气动外形进行优化钝头外加单锥或者双锥是我国运载火箭比较常见的整流罩外形，此种外形特点有着一定的优势，像制造工艺更为简单、整体容积更大等等，但与此同时其也有着一定的弊端，比如对运载火箭相应的气动特性有所影响。现如今，国外一些研究运载火箭整流罩的机构，将其外形改为了截锥体，这种外形光滑的曲母线使得其气动外形更好。该外形基本上由头部光滑过渡到柱段，进而在跨声速脉动压力上也就相对小很多，能够在很大程度上对运载火箭原有的气动噪声做出改善。结语综上所述，整流罩当中的内噪声在很大程度上左右着运载火箭的发射成败，有必要利用一定的技术来对其内噪声进行有效控制，本文前半部分分析了借助轻质多孔材料进行降噪技术的试验研究，后半部分基于此阐述了一些注重内噪声的环境改善、结合整流罩的回收技术、综合运用降噪技术等降噪技术上的优化策略，以此尽可能降低运载火箭因整流罩内噪声而引发的发射失败概率。参考文献宋海洋,于开平,韩敬永.大型运载火箭整流罩减振降噪问题研究[J].导弹与航天运载技术,2014(03):16-19.[2]荣吉利,谌相宇,赵瑞,秦朝红,任方.火箭整流罩内降噪装置低频声学性能仿真[J].北京理工大学学报,2016,36(10):991-995.[3]杨树涛,祁峰,姜人伟,曾耀祥,潘忠文.运载火箭整流罩降噪试验技术研究[J].强度与环境,2020,47(06):61-64.[4]齐江龙,原凯,陈雅曦,王明杰,张卫红.运载火箭整流罩降噪技术研究进展[