СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2001 года по МПК G01M7/00 B64G7/00 

Изобретение относится к области испытаний космической техники, в частности к области испытаний на вибрационные и ударные воздействия. В настоящее время имеется достаточно много различных способов испытаний космических аппаратов (КА). В зависимости от своего назначения эти испытания могут быть либо квалификационными (отработочными) либо приемными. Как квалификационные, так и приемочные испытания на механические воздействия в настоящее время включают испытания на гармоническую вибрацию (ГВ), на широкополосную случайную вибрацию (ШСВ), на ударные воздействия по методу ударных спектров ускорений (УСУ) (см. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах, т. 5, под ред. М. Д.Генкина. М.: Машиностроение, 1981 г., стр.455-456, 459-472, 475-487). Или "Испытательная техника" справочник в 2-х томах под ред. В.В.Клюева, книга 1, М.: Машиностроение, 1982 г., стр.287-289, 334-337, или В.Ф. Гладкий "Прочность, вибрация и надежность конструкции летательного аппарата. M. : Наука, 1975 г., стр.415-420 (прототип). Формирование режимов нагружения (В. Ф.Гладкий "Прочность, вибрация и надежность конструкции летательного аппарата" M.: Наука, 1975 г., стр. 19) проводят обычно на динамически подобных инженерных моделях КА.

Эти испытания могут быть последовательными или комбинированными. Однако и тот и другой подход к испытаниям имеют существенные недостатки. Комбинированное нагружение КА существенно усложняет испытательное оборудование и ведет к значительному удорожанию испытаний (для некоторых видов комбинированного нагружения необходимое оборудование не может быть создано на сегодняшнем уровне развития техники). Последовательные испытания существенно увеличивают время нагружения КА и по этой причине применяются на приемных испытаниях в сокращенном объеме (например, ГВ+ШСВ или только ШСВ). Наиболее распространенным испытательным оборудованием на механические нагрузки являются электродинамические стенды. Они позволяют проводить испытания на ГВ, ШСВ, УСУ. Отличие при этих испытаниях будет заключаться в алгоритме управления, закладываемом в компьютер.

Целью приемных испытаний, например, является подтверждение отсутствия брака во время изготовления КА и подтверждение его стойкости, в первую очередь, к воздействию максимальных нагрузок.

Предлагаемый способ испытаний позволит исключить указанные недостатки. Во-первых, проводить приемные испытания на различные виды воздействий без существенного увеличения времени нагружения КА, во-вторых, проводить нагружение КА максимальными эксплуатационными нагрузками от трех видов воздействий (ГВ, ШСВ, УСУ), не превышая ограничений ни по одному из них, и, в-третьих, проводить фактически комбинированное нагружение с помощью одного вибростенда. Это позволит более точно воспроизводить реальные воздействия на КА и повысить качество проводимых испытаний.

Эта цель достигается тем, что испытания проводятся последовательно на каждый вид нагружения, при этом воздействия изменяют по амплитуде дискретно от минимальных, определяемых чувствительностью задающей и регистрирующей аппаратуры, до уровней полученных при натурной эксплуатации, формируют испытательный режим из условия непревышения допустимых значений в контрольных точках в каждом частотном диапазоне по формуле:
G(w,g)=ArgminФ
где

где Ф - функционал, подлежащий минимизации;
G (w, g) - испытательный режим (амплитудно-частотная функция нагружения космического аппарата);
w - частота;
g - ускорение;
М - количество точек контроля;
j=l коэффициенты, связанные с амплитудным спектром;
j=2 коэффициенты, связанные с широкополосной случайной вибрацией;
j=3 коэффициенты, связанные с ударным спектром ускорений;
N - количество частотных поддиапазонов;
∥K^A∥- норма модуля максимального значения коэффициента передачи по амплитудному спектру при испытаниях по методу качающейся частоты;
К_ij ^Am - коэффициент передачи, полученный из эксперимента и связанный с амплитудными спектрами в "m" точке при "j" воздействии в "i" частотном поддиапазоне;
расчетный коэффициент передачи, связанный с амплитудными спектрами в "m" точке при "j" воздействии в "i" частотном поддиапазоне;
ε_ij- весовой коэффициент для амплитудных спектров;
∥K^S∥- норма модуля максимального значения коэффициента передачи по спектральной плотности мощности при испытаниях по методу широкополосной случайной вибрации;
K_ij ^Sm - коэффициент передачи, полученный из эксперимента и связанный со спектральной плотностью мощности виброускорений в "m" точке при "j" воздействии в "i" частотном поддиапазоне;
- расчетный коэффициент передачи, связанный со спектральной плотностью мощности виброускорений в "m" точке при "j" воздействии в "i" частотном поддиапазоне;
η_ij- весовой коэффициент связанный со спектральной плотностью мощности виброускорений;
∥K^V∥ - норма модуля максимального значения коэффициента передачи по ударному спектру ускорений при испытаниях по методу ударных спектров;
К_ij ^Vm - коэффициент передачи, полученный из эксперимента и связанный с ударными спектрами ускорений в "m" точке при "j" воздействии в "i" частотном поддиапазоне;
расчетный коэффициент передачи, связанный с ударными спектрами ускорений в "m" точке при "j" воздействии в "i" частотном поддиапазоне;
θ_ij - весовой коэффициент для ударных спектров ускорений,
после чего нагружению подвергают штатное изделие сначала на минимально возможных уровнях от испытательного режима, а затем на откорректированном по приведенной выше формуле с учетом коэффициентов передачи штатного изделия испытательном режиме.

Суть предлагаемого решения может быть пояснена следующим образом.

При отработке режимов приемных испытаний на динамически подобном макете космического аппарата, когда необходимо проводить отработку на гармоническую вибрацию, широкополосную случайную вибрацию, ударные воздействия, то на каждый вид воздействия получают коэффициенты передачи от точек задания режимов испытаний к точкам контроля. Причем, при проведении испытаний по одному из видов нагружения получают коэффициенты передачи и проводят контроль ограничений, накладываемых на другие виды воздействий. При этом коэффициенты передачи получают при различных уровнях нагружения, чтобы оценить влияние нелинейности конструкции КА. Коэффициенты передачи по ГВ, ШСВ, УСУ всегда можно получить, т. к. при всех видах воздействия регистрация нагружения проводится одними и теми же датчиками ускорений. Затем по полученным коэффициентам формируют функционал Ф, минимизация которого позволяет получить необходимый режим испытаний. Минимизация функционала Ф производится по коэффициентам передачи Эти коэффициенты могут иметь различные дополнительные верхние индексы Am, Sm, Vm и одинаковые нижние индексы ij. Если коэффициент передачи содержит индекс А, то это означает, что этот коэффициет всегда получается по амплитудному спектру, причем в зависимости от значения индекса j= 1 он будет получен при испытаниях по методу гармонической вибрации (когда задается амплитудный спектр), при j=2 он будет получен при испытаниях на широкополосную случайную вибрацию (характеристикой которого является спектральная плотность мощности виброускорений) и при j=3 по методу ударных спектров ускорений. Но всегда это будут коэффициенты передачи по амплитудному спектру. Индекс m указывает на тот датчик ускорений, по которому будут получены эти коэффициенты передачи, а индекс i покажет тот частотный диапазон, в котором производится сравнение.

Коэффициенты передачи, не имеющие над К значка ~, но имеющие все остальные индексы, имеют тот же смысл, но получаются из эксперимента. Эти коэффициенты и позволяют выбрать из больших массивов те диапазоны и вид воздействия, которые обеспечат оптимальный режим нагружения. Нормирующие коэффициенты вида ∥K^V∥,∥K^S∥,∥K^A∥ приводят к единой размерности выражения стоящие в круглых скобках, так как при использовании различных видов испытаний коэффициенты передачи (отношение входного сигнала в систему к выходному) для различных видов нагружения различны и соответственно различны их отклонения. Причем различно их численное значение, так как при воздействии широкополосной случайной вибрации коэффициенты (К^S) являются фактически квадратичной функцией по сравнению с коэффициентами по гармонической вибрации (K^A). Таким образом, для корректного сравнения различных видов испытаний их необходимо приводить к одной линейке значений.

Все замечания, сделанные для коэффициентов, имеющих верхний индекс А, остаются справедливыми для S и V.

Когда определен набор расчетных значений коэффициентов передачи минимизирующий функционал Ф, необходимо далее сформировать предварительный режим испытаний и установить какие виды нагружения в каком диапазоне частот проводить. От оптимальных коэффициентов передачи берется некоторый допустимый по погрешностям диапазон и формируется режим испытаний. Делается это с помощью весовых коэффициентов. Если в некотором частотном диапазоне при нахождении коэффициентов передачи с весовыми коэффициентами =1 получено несколько диапазонов, в которых нужно проводить испытания на гармоническую вибрацию, то между ними существуют разрывы, где необходимо проводить испытания на случайную вибрацию, тогда весовые коэффициенты, связанные с гармонической вибрацией, увеличиваются и проводится новый расчет коэффициентов передачи И так продолжается до получения приемлемого режима испытаний.

Пример конкретного осуществления изобретения
На сегодняшний день в НПО ПМ реализуется технология запусков КА без электрических испытаний на полигоне после транспортирования. Поэтому в процедуру приемных испытаний включены испытания по имитации авиационной транспортировки. Эти испытания регламентируются "Программой и методикой транспортировочных вибрационных испытаний" (для КА Галс она имеет индекс "743.0000-0 ПМ99") и предполагает испытания КА на ШСВ. Выписка из 743.0000-0 ПМ99 приведена в Приложении 1. В процессе отработки методики приемных испытаний на авиатранспортирование для модернизируемого КА на изделии Галс 05ДИ была реализована рассматриваемая методика.

На динамически подобном макете КА Галс (изделие 05ДИ) были проведены испытания на гармоническую вибрацию по методу качающейся частоты с уровнями от 0,1g до ≈2,5g (4 уровня нагружения), по методу широкополосной случайной вибрации по методике приведенной в Приложении 1 (3 уровня нагружения: два по ПМ99-табл 1 и 2 и третий, полученный в результате корректировки режимов), по методу ударных спектров ускорений с уровнями воздействий от 1 до ≈5g (4 уровня нагружения). Частотный диапазон был разбит на 40 поддиапазонов с шагом от 3 Гц в низкочастотной области и до 20 Гц в диапазоне частот 240-310 Гц.

Для КА Галс был сформирован режим испытаний:
до 80 Гц гармоническая вибрация (по методу качающейся частоты) с погрешностью 20-25% и амплитудой виброускорения от 0,6 до 1,6 g;
80-310 Гц широкополосная случайная вибрация погрешность ±3 дБ и уровнем спектральной плотности виброускорений от 0,008 до 0,01g²/Гц;
Следует заметить, что аналогичные работы были проведены и для испытаний КА в стартовом положении (диапазон воздействий до 2000 Гц), что позволило сформировать общий режим нагружения.

310-640 широкополосная случайная вибрация погрешность ±3 дБ и уровнем спектральной плотности виброускорений от 0,01 до 0,011g²/Гц;
640-1280 Гц испытания на ударный спектр ускорений погрешность ~40% и уровнем амплитуды ударного спектра от 2,7 до 3,9g;
1280-2000 Гц широкополосная случайная вибрация погрешность ~6дБ.

Этот режим испытаний позволил без существенного изменения времени испытаний воспроизвести для приемных испытаниях различные виды нагружения КА при авиационной транспортировке. Таким образом, удалось объединить не только режимы испытаний на авиационное транспортирование (диапазон частот до 310 Гц), но и режимы приемных испытаний для участка выведения (диапазон частот до 2000 Гц). При этом гарантируется непревышение допустимых уровней нагружения бортовой аппаратуры КА.

ВЫПИСКА ИЗ "ПРОГРАММЫ И МЕТОДИКИ ТРАНСПОРТИРОВОЧНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ 743.0000-0 ПМ99"
4. Объем и последовательность проведения испытаний.

4.1 Перед проведением испытаний на изделие установите технологические ВИП согласно рис.1.

4.2 Установите изделие на стенд.

4.3 Подключите технологические ВИП к системе измерительных средств.

4.4 Настройте блок ограничений задаваемых режимов DP317 на непревышение пиковых значений виброускорений 3,8 м/с².

4.5 Возбудите в изделии ШВС в направлении оси Y на режимах табл.1. В процессе нагружения произведите регистрацию сигналов технологических ВИП, установленных на изделии.

4.6 Произведите обработку магнитограмм с целью определения СПМ виброускорений в местах установки ВИП. Получите коэффициенты передачи по СПМ.

4.7 Скорректируйте при необходимости уровни нагружения, приведенные в табл. 2, таким образом, чтобы ожидаемые уровни СПМ виброускорения в местах установки ВИП не превышали значений, приведенных в табл.3.

4.8 Возбудите в изделии ШВС в направлении оси Y на режимах, сформированных по п.4.7. В процессе нагружения зарегистрируйте сигналы ВИП.

Изобретение относится к области наземных испытаний изделий космической техники на механические нагрузки. Согласно изобретению нагружают динамически подобный макет изделия по методам качающейся частоты, широкополосной случайной вибрации и ударных спектров ускорений. При этом испытания проводят последовательно на каждый из указанных видов нагружения. Нагрузки изменяют по амплитуде дискретно от минимальных уровней до уровней, полученных при натурной эксплуатации изделия. Амплитудно-частотные характеристики испытательного режима рассчитывают путем минимизации некоторого квадратичного функционала, при условии непревышения допустимых значений нагрузок в контрольных точках макета в каждом частотном диапазоне. Изобретение направлено на сокращение времени и номенклатуры оборудования для испытаний при обеспечении качества воспроизведения реальных воздействий на изделия. 3 табл.

Способ испытаний космических аппаратов, заключающийся в нагружении динамически подобного макета по методам качающейся частоты, широкополосной случайной вибрации и ударных спектров ускорений, отличающийся тем, что испытания проводятся последовательно на каждый из указанных видов нагружения, при этом воздействия изменяют по амплитуде дискретно от минимальных уровней, определяемых чувствительностью задающей и регистрирующей аппаратуры, до уровней, полученных при натурной эксплуатации, формируют испытательный режим, при условии непревышения допустимых значений воздействий в контрольных точках макета в каждом частотном поддиапазоне, по формуле
G (w, g) = Argmin Ф,
где

где Ф - минимизируемый функционал;
G (w, g) - амплитудно-частотная функция нагружения космического аппарата, определяющая испытательный режим;
w - частота;
g - ускорение;
М - количество точек контроля;
j = 1 - обозначает коэффициенты, связанные с амплитудным спектром;
j = 2 - обозначает коэффициенты, связанные с широкополосной случайной вибрацией;
j = 3 - обозначает коэффициенты, связанные с ударным спектром ускорений;
N - количество частотных поддиапазонов;
∥K^A∥ - норма модуля максимального значения коэффициента передачи по амплитудному спектру при испытаниях по методу качающейся частоты;
K_ij ^Am - коэффициент передачи, полученный из эксперимента и связанный с амплитудными спектрами в m-й точке при j-м воздействии в i-м частотном поддиапазоне;
расчетный коэффициент передачи, связанный с амплитудными спектрами в m-й точке при j-м воздействии в i-м частотном поддиапазоне;
ε_ij - весовой коэффициент для амплитудных спектров;
∥K^S∥ - норма модуля максимального значения коэффициента передачи по спектральной плотности мощности при испытаниях по методу широкополосной случайной вибрации;
K_ij ^Sm - коэффициент передачи, полученный из эксперимента и связанный со спектральной плотностью мощности виброускорений в m-й точке при j-м воздействии в i-м частотном поддиапазоне;
расчетный коэффициент передачи, связанный со спектральной плотностью мощности виброускорений в m-й точке при j-м воздействии в i-м частотном поддиапазоне;
η_ij - весовой коэффициент связанный со спектральной плотностью мощности виброускорений;
∥K^V∥ - норма модуля максимального значения коэффициента передачи по ударному спектру ускорений при испытаниях по методу ударных спектров;
K_ij ^Vm - коэффициент передачи, полученный из эксперимента и связанный с ударными спектрами ускорений в m-й точке при j-м воздействии в i-м частотном поддиапазоне;
расчетный коэффициент передачи, связанный с ударными спектрами ускорений в m-й точке при j-м воздействии в i-м частотном поддиапазоне;
θ_ij - весовой коэффициент для ударных спектров ускорений, после чего нагружению подвергают штатное изделие сначала на минимально возможных уровнях от испытательного режима, а затем на откорректированном по приведенной выше формуле с учетом коэффициентов передачи штатного изделия в испытательном режиме.