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轴向力与过载计算

课题列表 | 更新日期 2026-10-26
轴向过载安全系数QJ 1941-90屈曲失稳截面法
火箭贮箱是主承力结构,轴向过载决定其筒段与箱底的纵向载荷,是结构设计的控制性输入。本页汇总载荷计算方法、公开文献量级与国内贮箱设计标准的安全系数规定。

1.1 过载的概念与特征工况

过载系数定义为结构加速度与重力加速度之比(n = a/g)。轴向过载由发动机推力、气动阻力(含底部压差)、重力纵向分量三部分叠加。载荷设计取任务剖面中的特征工况:最大轴向过载点、最大动压点、横向最大过载点;全箭沿轴向划分为若干计算截面(专利算例为 29 个),各部段质量分配到截面后逐截面累加轴向力与弯矩。

1.2 截面轴向力计算方法

A(x) = −T + D头锥 + D筒段 + D底部 + D尾翼 + S·ΔP + a_x·Σm_x

式中 T 为发动机推力,D 各项为各部分气动阻力,S·ΔP 为内外压差引起的轴向力,a_x·Σm_x 为该截面之前所有质量的惯性载荷(连续分布质量按每米质量积分)。发动机隔板(相当于贮箱后底)处通常是全箭最大压缩载荷截面。最大气动轴向载荷出现在最大动压时刻,最大惯性载荷出现在轴向加速度峰值时刻,需沿弹道取包络。

1.3 典型量级(公开文献数据)

对象轴向过载/动压来源与说明
朱雀二号(起飞状态)起飞推重比 1.22,起飞瞬间 n ≈ 0.22 g民间整理数据,与官方通稿交叉一致;起飞段过载低是液体火箭普遍特征
空射运载火箭(论文算例)最大轴向过载 9.94 g;实际最大动压 38.96 kPa(设计约束 67.9 kPa)《宇航总体技术》期刊弹道优化算例
远程制导火箭(约束取值)法向过载 ≤7 g、轴向过载 ≤30 g、动压 ≤250 kPa《国防科技大学学报》论文的结构载荷约束
液体火箭的最大轴向过载通常出现在一级飞行末段(推力大而剩余质量小),总体设计按全弹道仿真取包络,不宜直接套用固体或战术火箭的量级。

1.4 贮箱设计安全系数(QJ 1941-90)

国内推进剂贮箱设计执行航天工业标准 QJ 1941-90:强度剩余系数一般大于 1;按屈服设计安全系数 1.0~1.1,按极限强度设计 1.25~2.0;液压试验系数 1.05~1.5,气密试验压力 ≥ 增压压力;工作应力低于材料屈服(几何不连续处局部允许屈服);须完成总体与局部稳定性校核、振动模态耦合与动响应评估。标准扫描件已内置本站(见下方来源表)。

设计项目QJ 1941-90 规定
屈服安全系数1.0 ~ 1.1
极限(强度)安全系数1.25 ~ 2.0
液压试验系数1.05 ~ 1.5
气密试验压力≥ 增压压力
刚度与稳定性静变形不引起破坏;各类失稳均不允许发生

1.5 贮箱筒段应力校核要点

薄壁筒段在内压作用下产生环向应力 σθ = pD/(2t) 与轴向拉应力 σz = pD/(4t),内压对飞行轴向压力起卸载作用;飞行轴向压力 N 产生压缩应力 N/(πDt),净轴向应力与弯曲正应力叠加后与许用应力比较。对超薄壁不锈钢贮箱(径厚比可达数百至上千),轴压失稳(欧拉失稳与局部皱曲)往往是控制工况,需单独校核。

来源与资料(点击即看)

来源状态 / 等级
QJ 1941-90《推进剂贮箱设计准则》扫描件
📄 打开文件
航天工业标准,安全系数与试验系数依据
站点内置
A 级 · 法定披露
QJ 1941-90 在线地址(antpedia)
https://img.antpedia.com/standard/files/pdfs_ora/CN-QJ/aaf/QJ%201941-1990.pdf ↗
已验证
A 级 · 法定披露
Aspire Space《Rocket Vehicle Loads and Airframe Design》
http://www.aspirespace.org.uk/downloads/Rocket%20vehicle%20loads%20and%20airframe%20design.pdf ↗
截面法公式来源;英国业余火箭学会教材;本机访问超时,浏览器可再试,内容已转录本页
网络受限·可再试
B 级 · 券商/期刊
专利 CN202110989353 一种航天飞行器载荷设计快速计算方法
https://www.xjishu.com/zhuanli/55/202110989353.html ↗
已验证
B 级 · 券商/期刊
《宇航总体技术》空射运载火箭弹道优化论文
https://yhztjs.spacejournal.cn/cn/article/pdf/preview/yhztjs_20200502.pdf ↗
已验证
B 级 · 券商/期刊
《国防科技大学学报》远程制导火箭优化论文
https://www.sciopen.com/local/article_pdf/10.11887/j.issn.1001-2486.24070018.pdf ↗
已验证
B 级 · 券商/期刊
张鑫等《运载火箭贮箱多液位容积测量偏差与修正研究》SciEngine
https://www.sciengine.com/sci-open/doi/pdf/EE798134C37A4203A1E6228AEBD7C60A ↗
筒段环向/轴向应力公式出处
已验证
B 级 · 券商/期刊
灰机wiki 朱雀二号词条(民间整理,仅作旁证)
https://sat.huijiwiki.com/wiki/%E6%9C%B1%E9%9B%80%E4%BA%8C%E5%8F%B7 ↗
起飞推重比 1.22 出处;该站有反爬验证,浏览器通常可打开
网络受限·可再试
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