一种航天发射场贮箱放气和管路吹除噪声消音装置制造方法及图纸

运载火箭在发射场测试发射过程中，贮箱放气和管路吹除时会产生约120分贝的刺耳噪音，远远超过了国家允许标准85分贝，严重影响工作现场的正常测试和工作人员的身心健康。本发明专利技术通过对贮箱放气和管路吹除时的噪音产生机理分析，计算了气体马赫数、气体流速、阻力系数、管路出口流速等噪声相关参数，结合发射场的环境需求设计了基于金属微穿孔板的航天发射场贮箱放气和管路吹除专用噪声消音装置。本发明专利技术设计的消音装置可以将运载火箭贮箱放气和管路吹除时的噪音降低至85分贝以下，达到国家规定的噪声容许标准，解决了发射场贮箱放气和管路吹除造成的噪音污染问题。

A Noise-eliminating and Noise-eliminating Device for Tank Exhaust and Pipeline Blowing in Space Launch Site

【技术实现步骤摘要】
一种航天发射场贮箱放气和管路吹除噪声消音装置
本专利技术属于航天测试发射领域，涉及一种航天发射场运载火箭贮箱放气和管路吹除时发生的噪音消除的专用消音装置。
技术介绍
运载火箭在发射场测试发射过程中，动力系统火箭贮箱放气和管路吹除时产生的噪音大约在120分贝左右，远远超过了国家允许标准85分贝，严重影响了工作现场各系统正常工作和现场人员的身心健康。目前国内发射场均没有专用的消音设备来降低火箭贮箱放气和管路吹除的噪音，只能单独安排该项工作并尽量减少现场人员。因此有必要设计专用的消音装置，将贮箱放气和管路吹除中的噪声降低到安全要求值以下，保证现场人员的健康和正常测试环境。其次，火箭系统对测试厂房的洁净度要求相当高，因此采用以吸声材料来消减噪音的阻性消音器为主的消音方案不可行；抗性消音器消音频带窄，对高频消音效果差；阻抗复合式消音器使用寿命短，同样不可行。
技术实现思路
本专利技术深入分析计算航天发射场贮箱放气和管路吹除时噪声的产生机理和具体数据，结合发射场对现场环境的要求和国家噪声容许标准，设计了一种航天发射场液体火箭贮箱放气和管路高压吹除专用的消音装置。本专利技术的航天发射场贮箱放气和管路吹除时消音装置的实现方案如下：首先进行贮箱放气和管路吹除的噪音成因分析及相关参数计算；其次对金属微穿孔板消音效果与参数设定进行分析计算；最后，设计满足要求的消音装置结构和参数并对消音效果进行了验证。本专利技术设计的航天发射场贮箱放气和管路吹除消音装置见具体实施方案部分描述。本专利技术的航天发射场贮箱放气和管路吹除消音装置的优点是：(1)本专利技术将贮箱放气和管路吹除过程中产生的120分贝以上噪音降低到85分贝以下，达到国家规定的噪声容许标准，解决了发射场贮箱放气和管路吹除造成的噪音污染；(2)本专利技术设计了以金属微穿孔板消声结构为主，以抗性滤波和减压扩容段为辅的航天发射场贮箱放气和管路吹除专用噪声消音装置，不会对测试环境造成污染，满足发射场测试环境的高洁净度要求；(3)本专利技术的消音装置安装使用便捷可靠，可以推广到火箭总装厂等其他相关单位，对民用排气噪音消除方面也有很大的借鉴作用，应用前景良好。附图说明图1消声装置示意图。图2喷气流的流动情况；图3喷气流基元所辐射的噪声声功率；图4一元管流示意图；图5火箭贮箱放气参数计算图6双层微穿孔板吸声性能示意图；图7微式消声器在不同流速下的消声曲线；图8消声器微穿孔板结构部分吸声性能示意图；具体实施方案步骤一、发射场贮箱放气和管路吹除的噪音产生机理分析空气动力性噪音是由于气体的非稳定过程，或者说气体的扰动、气体与物体的相互作用而产生的。紊流气体的连续方程为式中ρ——密度；νi——气流在xi方向上的速度；t——时间；Q——单位时间单位体积的源的发射量。运动方程为式中Fi——单位体积的广义力；ρνiνj——切变压力张量；pij——与压应力和粘滞力有关的压应力张量。对式(1)进行时间微分，(2)式进行xi微分，经计算可得式中在贮箱放气和管路吹除过程中，(3)式右边的1、3两项在不断发生变化，从而使时刻在变化，即气体密度始终在变化，它的具体表现形式就是单位体积内的气体分子数在持续发生变化，从而产生空气动力性噪音。1喷气噪音箭体贮箱放气和管路吹除的过程是一种高压罐的排气放空过程，在该过程中，由于极高速的气体粒子和周围的低速气体粒子发生紊流混合，使大气的稳定状态受到破坏而产生巨大扰动，这就产生了强大的喷气噪音。对于空气动力性噪音，从声源特性来说，主要可以分为三类：单源，双源，四极子源。贮箱放气和管路吹除产生的喷气噪音从声源特性来说，基本上属于四极子源。对于四极子源，方程(3)可简化为式中ρ——气体密度；a0——无扰动介质中的声速；Tij——空间中任一点的压应力张量。压应力张量Tij主要由动量流张量ρνiνj确定。在箭体贮箱放气和管路吹除过程中，该作用力的变化由于压强变化而产生，压强变化引起密度变化，这就是噪音的来源。对于远声场，即离开声源的距离远远大于声源的大小和声波波长的大小的点，方程(5)的解(以声功率表示)为式中ρc,ρ0——喷气流和周围介质的密度；Tc,T0——喷气流和周围介质的绝对温度；vc——喷气流速度；D——喷口直径；K——比例系数，由实验数据可得K＝2.8×10-5。喷气噪音的声功率与喷气流速度的八次方成正比，同时，喷气噪音的声功率还与喷嘴直径、气体密度、介质温度等因素有关。喷气流的流动情况如图2所示。整个气流分为两个部分：初始段部分和主体段部分。初始段具有确定的核心速度，其长度约为5倍的喷口直径。主体段延伸得更远些。图3为离开喷口不同距离X的喷气流部分辐射的声功率变化关系，即与X/D的关系。在距喷口5倍直径距离的初始段部分，基元体积辐射的噪音声功率占整个喷气流声功率的一半以上，而且各基元体积辐射的噪音声功率与基元体积离开喷口的位置几乎无关。在远离喷口的主体段部分，喷气流基元体积所辐射的声功率随着离开喷口的距离的7次方而急剧地下降。因此，喷气流噪音主要是由离喷口6倍直径的距离内的喷气段所产生的。这一点对喷气噪音的控制具有重大意义。在喷口附近的喷气流主要辐射高频噪音，而且由于压力大、流速高，辐射的噪音声级相当高。随着离开喷口距离的增加，低频部分逐渐增加。喷气噪音的强度在不同方向也不同。由实验得出，最大的辐射发生在喷气轴角度之内。2风声喷气噪音是贮箱放气和管路吹除噪音的主要因素，其次由于放气时流速较大，气流冲击外界静止大气而产生的风声也不可忽略。在贮箱放气和管路吹除过程中，由于气流冲击外界静止的大气而产生风声，其主要成分是涡流和涡流分裂噪音。风声的声功率随着气流速度的增大而急剧地增高，它与速度的6次方成正比，在速度较小时，与其5.5次方成正比。它与物体的横截面积、正面阻力系数、气体的密度也有关。用数学形式表示则为W∝ρSξ2ν6,(7)式中W——声功率；ρ——气体密度；S——物体的横截面积；ξ——物体的正面阻力系数；ν——气体流速。通过步骤一中的推导可以得出以下结论：(1)喷气噪音的声功率与喷气流速度的八次方成正比；(2)喷气流噪音主要由离喷口6倍直径的距离内的喷气段所产生的；(3)喷气噪音的频谱是宽阔的连续谱，在喷口附近的喷气流主要辐射高频噪音，压力大、流速高，辐射的噪音声级相当高，随着离开喷口距离的增加，低频部分逐渐增加；(4)喷气噪音的强度最大的辐射发生在喷气轴角度之内；(5)风声的声功率在速度较大时与速度的6次方成正比，在速度较小时，与其5.5次方成正比。步骤二、发射场贮箱放气和管路吹除过程中的噪声参数计算通过以上的分析可以看出，在贮箱放气过程中，气流速度对噪音的形成影响最大。因此首先计算贮箱放气时的流速等参数。为便于计算，作如下假设和近似：(1)放气过程是吸热过程，贮箱内气体温度不断降低，但温度变化不大时对流量影响不显著，因此计算时近似认为贮箱内气体温度恒定不变(按300K计算)；(2)气体在放气管内流速快、流动时间短，与外界来不及进行充分的热交换，可以近似按等熵一元定常管流计算。1任意截面上的物理量与滞止状态物理量之间的关系滞止状态是流体速度为零的理想状态，以下标“0”表示，即ν0＝0或M0＝0的状态，其它各物理量用T0、p0、ρ0表示。对于与大容器相连接的一元管流，(如火箭贮箱放气)由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天发射场贮箱放气和管路吹除噪声消音装置，包括：步骤一、发射场贮箱放气和管路吹除的噪音产生机理分析。步骤二、发射场贮箱放气和管路吹除过程中的噪声参数计算。步骤三、航天发射场贮箱放气和管路吹除噪声消音装置的设计与实现。其特征在于：步骤一、发射场贮箱放气和管路吹除的噪音产生机理分析。箭体贮箱放气和管路吹除的过程是一种高压罐的排气放空过程，经过分析，确定了噪声主要由为高速的气体粒子和周围的低速气体粒子发生紊流混合产生的喷气噪音和气流冲击外界静止大气产生的风噪组成，明确了噪声的主要抑制途径。步骤二、发射场贮箱放气和管路吹除过程中的噪声参数计算。根据某系列火箭的贮箱气体压力、贮箱气体温度、安溢阀门出口内径等参数和气体直排时安溢阀门出口气流温度的发射场实际数据，计算了出口截面的气体马赫数、气体流速、阻力系数、管路出口流速等参数，作为消音装置设计计算的依据。步骤三、航天发射场贮箱放气和管路吹除噪声消音装置设计与实现。设计的专用消音装置由两部分组成：第一部分通过抗性滤波和减压扩容反射并损耗部分声能，并使高压气体减压扩容降低流速来降低噪音；第二部分采用微穿孔板对低速气流的进一步降低噪音至国家规定的噪声容许标准以下。...

【技术特征摘要】
1.一种航天发射场贮箱放气和管路吹除噪声消音装置，包括：步骤一、发射场贮箱放气和管路吹除的噪音产生机理分析。步骤二、发射场贮箱放气和管路吹除过程中的噪声参数计算。步骤三、航天发射场贮箱放气和管路吹除噪声消音装置的设计与实现。其特征在于：步骤一、发射场贮箱放气和管路吹除的噪音产生机理分析。箭体贮箱放气和管路吹除的过程是一种高压罐的排气放空过程，经过分析，确定了噪声主要由为高速的气体粒子和周围的低速气体粒子发生紊流混合产生的喷气噪音和气流冲击外界静止大气产生的风噪组成，明确了噪声的主要抑制途径。步骤二、发射场...

【专利技术属性】
技术研发人员：白国玉，段永胜，李严武，李鹏冲，冯丑明，李红宇，李苗苗，牟万辉，林中正，贾涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11