СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ Российский патент 1997 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при отработке космических аппаратов на ударное воздействие.

В настоящее время известны различные виды испытаний на ударные воздействия.

Например, испытания неуправляемым ударным воздействием (Вибрации в технике, справочник т. 5, стр. 476, М. Машиностроение, 1991). При таком виде испытаний реальные процессы, происходящие на объекте испытаний, имитируются чрезвычайно грубо и этот вид испытаний малопригоден для испытаний объектов ракетно-космической техники.

В лабораторных условиях наиболее часто используют несколько основных методов испытаний на ударное воздействие (Испытательная техника, Справочник, под редакцией В.В. Клюева, т. 1, с. 334-335, М, Машиностроение, 1982). При первом методе точно имитируют ударное воздействие, действующее на изделие при условиях его эксплуатации, однако он связан с рядом трудностей. например чрезвычайно сложно воспроизводить ударное воздействие сложной формы, а также всегда есть ограничения как по длительности воспроизводимых процессов, так и по силе.

Второй метод имитация реакции изделия на ударное воздействие. В этом случае не важен вид ударного нагружения при эксплуатации, а важно, какую реакцию у изделия это воздействие вызвало. Под реакцией могут понимать либо переходную характеристику, либо ударный спектр (прототип). Ударный спектр может быть синтезирован при помощи элементарных сигналов на электродинамическом стенде, а полученный сигнал ударного возбуждения корректируют при помощи передаточной функции системы (В.В. Клюев "Испытательная техника", т. 1, с. 335).

Недостатком рассмотренного метода при испытаниях космического аппарата (КА) служит: во-первых, порок самого метода испытаний, когда перестают учитывать воздействие, порождающее удар. Электродинамические стенды не могут воспроизводить процессы с длительностью менее 1 мс, а пиротехнические устройства имеют длительность срабатывания 0,1-0,2 мс. А они на космических аппаратах (КА) являются основными источниками ударного воздействия.

В результате чего отработка проводится на воздействия, несущие энергию в другой спектральной области. Кроме того, амплитудные значения ударных спектров по стыку космического аппарата (КА) с ракетой-носителем составляют 500-1000 при массе космического аппарата в 4 т. Необходимые усилия на штоке электродинамического стенда составляют многие сотни тонн, а таких стендов нет нигде в мире.

Целью данного технического решения является частичное устранение указанных выше недостатков, что позволит проводить более качественную отработку КА на ударное воздействие, являющееся одним из основных видов механического нагружения приборов и конструкции КА.

Предлагаемое техническое решение отличается тем, что целью получения испытательного воздействия с требуемым ударным спектром, близкого к натурному, и расширения возможного диапазона его формирования используют устройства того же класса/типа, что и источники, порождающие ударное воздействие на объекте при его натурной эксплуатации, а формирование требуемого ударного спектра выполняют последовательно в несколько этапов, по окончании каждого из которых проводят сравнение полученного ударного спектра с требуемым и в случае недостаточной точности приближения ударного спектра его корректировку проводят на следующем этапе, причем на первом этапе для создания ударного спектра используют источник воздействия, спектр которого имеет наименьшее отклонение от требуемого, затем для этого источника определяют закон изменения амплитуды силы ударного воздействия от времени, находят необходимую передаточную функцию от точки приложения воздействия к контрольной точке, а методом ударного возбуждения тем же источником, находят передаточные функции переходных элементов, с помощью которых подбирают сами элементы (или их комбинации), обеспечивающие наиболее близкое совпадение полученной передаточной функции с необходимой, далее проводят ударное нагружение объекта испытаний через набор переходных элементов, а на третьем этапе применяют итерационную процедуру уточнения полученного ударного спектра, заключающуюся в получении корректирующей передаточной функции, формировании акустического фильтра, имеющего эту передаточную функцию, ударном нагружении объекта испытаний через набор переходных элементов и акустический фильтр, причем корректировку полученного ударного спектра продолжают до его совпадения с заданной точностью с требуемым.

Сущность предложенного решения может быть пояснена следующим образом. Космический аппарат (КА) подвержен различного вида механическим воздействиям, одним из видов которых являются ударные воздействия. Источником ударных воздействий на аппаратуру и конструкцию КА служат в первую очередь срабатывания пиросредств, поэтому использование электродинамических и механических ударных стендов для имитации данного случая нагружения не очень корректно. Не совпадают в первую очередь длительности воздействий, а значит и частотный состав нагружения. Расположение приборов и оборудования относительно источников ударного воздействия различно, поэтому в зависимости от расстояния требуется отработка на различные виды ударных спектров. Кроме того, разработчик ракеты задает по стыку с КА свой вид ударного спектра, полученного на основе анализа источников ударного воздействия. Поэтому наиболее правильно брать в качестве испытательного воздействия само пиросредство, однако в этом случае исключается возможность его регулирования. В настоящее время известны десятки видов различных пирозамков, пироболтов и т.д. Длительность срабатывания у них близка. Различается мощность заряда взрывчатого вещества, что позволяет получать различную величину ударного воздействия. Поэтому, используя в качестве источника ударного воздействия даже пиросредство, не применяющееся на данном КА, мы проводим отработку на то же по своей физической природе воздействие. Проблемой в этом случае является регулирование вида ударного спектра. Все нормируемые характеристики являются интегральными, (то есть включают возможные вариации нагружения, имеющего в определенной степени случайный характер, и необходимые коэффициенты безопасности), поэтому в чистом виде получить ударный спектр от какого-либо пиросредства, совпадающий с требуемым, практически невозможно. Однако можно подобрать источник воздействия, ударный спектр от которого ближе всего совпадает с требуемым.

То есть подстыковыванием пиросредства в точке контроля, подрываем, измеряем ускорение и по известным алгоритмам получаем ударный спектр. Выбор можно проводить с использованием при сравнении метода наименьших квадратов.

Находим минимум функционала:

где J количество шагов по частоте;
функция, описывающая требуемый спектр;
a_j полученный спектр пиросредства;
A_j весовой коэффициент.

Таким образом будет найден тот ударный спектр, который менее всего отличается от требуемого и найдено необходимое пиросредство. При этом приближение к ударному спектру необходимо проводить сверху. На следующем этапе необходимо улучшить получаемый ударный спектр. В реальных условиях между источником ударного воздействия (УВ), например пироболтами крепления обтекателя и КА, находится разгонный блок, значительно снижающий величину УВ. Однако в лабораторных условиях мы уже выбрали другое пиросредство и вместо сложного динамического макета разгонного блока можно выбрать некоторый переходной элемент, но такой, чтобы ударное воздействие, трансформируясь при прохождении через этот объект, обеспечивало улучшенный ударный спектр.

Для подбора этого элемента выполним следующие операции. Сначала для выбранного пиросредства определим закон изменения силы воздействия от времени. Затем методом ударного возбуждения (Батуев Г.С. и др. Инженерные методы исследования ударных процессов, М. Машиностроение, 1977, с. 145), используя тот же источник ударного воздействия УВ, который был выбран ранее, определяют передаточные функции переходных элементов. Это делается потому, что у каждого пиросредства имеется свой спектральный состав, и если мы определим передаточные функции, используя одно устройство, а затем будем нагружать ударным воздействием УВ с помощью другого, то возможно несоответствие их частотных спектров.

Далее, зная входное ударное воздействие и его ударный спектр, а также требуемый ударный спектр УВ, получаем такую передаточную функцию от источника ударного воздействия к контрольной точке, которая обеспечит этот требуемый ударный спектр.

Переходные элементы могут быть самыми различными. Причем, чем больше их набор, тем большая вероятность получить "хорошую" передаточную функцию.

Сравнение передаточных функций также будем проводить по методу наименьших квадратов так, чтобы выполнялось требование

где J количество шагов по частоте;
b_i требуемая передаточная функция;
передаточная функция переходных элементов;
B_i весовой коэффициент.

После подбора необходимой комбинации переходных элементов составляют испытательную схему, состоящую из источников УВ переходных элементов и объекта испытания, и проводят ударное нагружение, регистрируя ускорения в контрольной точке, получают ударный спектр. Затем сравнивают его с требуемым. Это делается для того, чтобы определить степень приближения полученного ударного спектра к требуемому. Идеология получения передаточных функций справедлива для линейных объектов, а в силу больших величин ударных воздействий могут сказаться нелинейные эффекты, т.е. даже полное совпадение передаточных функций требует уточнения экспериментальной проверкой.

Если точность, полученная на втором этапе удовлетворительная, то можно уже проводить испытания. В случае недостаточной степени приближения переходим к третьему этапу корректировки. Необходимо будет создать дополнительный переходный элемент, решающий эту задачу.

Для этого сначала определим корректирующую передаточную функцию путем сравнения полученного ударного спектра и требуемого. Затем формируем специальное устройство, обеспечивающее данную функцию. Из материалов с разной акустической жесткостью создается многослойный стержень. За основу может быть взят амортизатор удара. Подбирают фильтр с требуемой функцией. Данный процесс заключается в получении корректирующей функции, формировании фильтра и сравнении ударного спектра (УС) с требуемым. На фиг. 1 представлена схема установки, где изделие 1, рама 2, амортизационная форма 3, замки системы отделения 4, обечайка 5, ударный амортизатор 6, защитный кожух 7, разрывные болты 8, узлы крепления оснасток 9, пульт подрыва болтов 10, силовой пол 11, оснастка стенда 12, узлы крепления оснастки 13, форма оснастки 14, кронштейн 15, вибродатчики 16. На фиг. 2 представлен ударный спектр от ракеты КА, на фиг. 3 ударный спектр разрывных болтов, на фиг. 4 вид реализованного ударного спектра.

Испытания проводились в два этапа. На первом этапе осуществлялась проверка правильности задания ударного спектра по стыку с акустическим фильтром. На фиг. 3 видно, что спектр, представленный на фиг. 2, увеличивается в два раза по амплитуде.

На фиг. 4 видно, что реализованный ударный спектр практически совпадает с требуемым.

Область использования: в ракетно-космической технике, при отработке космических аппаратов на ударное воздействие. Сущность: создают ударный спектр, близкий к натурному, формирование которого выполняют в несколько этапов. Определяют закон изменения амплитуды силы воздействия от времени. Проводят ударное нагружение объекта, уточняют полученный спектр, причем корректировку ударного спектра продолжают до его совпадения по точности с требуемым. 4 ил.

Способ испытаний на ударное воздействие, заключающийся в ударном нагружении объекта испытаний, регистрации ускорения в контрольной точке и корректировке полученного ударного спектра с учетом передаточной функции, отличающийся тем, что ударное нагружение проводят с помощью устройств того же класса или типа, что и источники, вызывающие ударное воздействие на объекте при его натурной эксплуатации, а формирование ударного спектра выполняют последовательно по этапам, проводя корректировку на следующем этапе, при этом на первом этапе создание ударного спектра осуществляют с помощью устройства, спектр которого имеет минимальное отклонение от заданного, затем для этого устройства определяют закон изменения амплитуды силы ударного воздействия от времени и находят необходимую передаточную функцию от точки приложения воздействия к контрольной точке, а методом ударного возбуждения тем же устройством находят передаточные функции переходных элементов, далее проводят ударное нагружение объекта испытаний через набор переходных элементов, а на третьем этапе получают корректирующую передаточную функцию, формируют акустический фильтр, имеющий эту передаточную функцию, нагружают объект испытаний через набор переходных элементов и акустический фильтр, причем корректировку полученного ударного спектра продолжают до его совпадения с заданным.