摘要：针对有效负载填充导致的运载火箭整流罩内部局部声压级增大现象即填充效应问题，采用三明治夹芯板理论，建立了整流罩及负载的等效模型，利用FE-BEM和SEA法分别对运载火箭整流罩的低、高频段内声场特性进行了数值分析，研究了负载体积比和负载形状对填充效应的影响，从模态频率的角度对填充效应的形成机理及变化规律进行了解析。仿真与试验结果表明：填充效应与声振耦合作用引起的声学模态频率偏移有关，低频偏移幅度比高频更大，低频填充效应更加明显；填充负载体积比直接影响模态偏移的幅度，填充效应随负载体积比的增大而增大。基于FE-BEM及SEA的数值计算方法为有效负载填充效应的预测提供了分析手段。
　　关键词：整流罩；运载火箭；声压级；有效负载；填充效应
　　引言
　　运载火箭在飞行过程中，由于火箭发动机高速射流噪声和气动噪声的影响，使整流罩内部的声场环境变得非常恶劣。在进行地面声学测试时，人们通常会发现，当卫星负载填充整流罩时，整流罩内会出现局部声压级增大的现象，可高达10 dB。这种由于装入有效负载而引起运载火箭整流罩或航天飞机货舱的内部声压级变化的现象被称为填充效应，声压级变化的差值即为填充效应的大小，它是填充因子（有效负载与整流罩或货舱体积之比）与频率的函数。在航天领域，声环境试验是按未填充的（即空的货舱或没有有效负载的整流罩）环境确定的，由于有效负载的安装会引起整流罩内部声压级变化，因此考虑有效负载对整流罩内部声环境产生的影响，即填充效应的影响，对准确预估有效载荷的声学试验环境，制定科学合理的地面声学试验条件和规范具有重要意义。
　　早在1980年，美国航空航天局就针对填充效应问题进行了一系列研究性试验，试验测试了4种形状、大小和容积不同的有效负载对整流罩内声压级的影响，并且在试验基础上，提出了整流罩填充效应理论预测模型，制定了关于整流罩填充效应的行业标准NASA-STD-7001A，但这种模型在低频时预测能力较差。Terry等利用SEA法，对有效负载的填充效应及结构响应进行了仿真计算，结果发现由于填充效应的存在，的确会使整流罩内间隙声压级增大，但能否用于预测负载的结构响应，仍是一个值得怀疑的问题。Nagahama等利用有限元/边界元法对这种局部声压级变化的机理和评价标准进行了研究，结合声学测试和振动模态试验结果发现，导致这种现象的主要原因是气体的声学边界条件而并非结构振动，同时发现填充效应会引起结构耦合面上振动响应的增大。Engberg，Gruszka等研究了不同直径大小负载的填充效应，证明几何形状是影响填充效应的重要因素。
　　可见，尽管人们从不同的角度研究了填充效应，但现有的填充效应理论预测模型，在低频段预测能力仍然不理想，亟待采用更为准确的理论预测模型或数值计算方法，来准确预测低频段或全频段的填充效应，为在填充效应NASA STD-7001A标准基础上的进一步修订提供理论依据。
　　本文采用FE-BEM（有限元-边界元法）和SEA（统计能量法）相结合的方法，对某型运载火箭整流罩的有效负载填充效應进行了数值计算和分析，研究了负载体积比及几何形状对填充效应的影响，揭示填充效应的形成机理及变化规律，为有效负载填充效应的预测分析和地面声学试验标准的修订提供理论依据。