СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01M7/00 B64G7/00 

Акустические воздействия являются одним из видов механических нагрузок, которым подвергается космический аппарат (КА) на участке выведения. Создание акустических воздействий при наземной отработке является достаточно сложной проблемой и может быть реализовано в основном следующими путями: наземные натурные испытания на открытом стенде, в закрытых боксах, в акустических камерах.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили испытания в акустических камерах, когда испытания проводят с одновременным воздействием на изделие заданного равномерного акустического давления и определенного спектра частот. При акустических испытаниях на изделиях определяют резонансные частоты, на которых амплитуда колебаний точек крепления максимальна. В процессе испытаний производится регистрация параметров вибрации - прототип (Испытательная техника. Справочник в 2-х томах под редакцией В.В.Клюева. T.1 стр.444, 449 - М.: Машиностроение, 1982 г.).

К недостаткам такого способа испытаний относится то, что проводятся испытания всего КА без предварительных испытаний на акустические воздействия составных элементов. Кроме того, при проведении акустических испытаний КА возникающие на элементах КА вибрации не могут быть разделены по природе их возникновения (реакция непосредственно на акустическое воздействие самого элемента, либо передача вибрации от других элементов при акустическом воздействии). Это влечет за собой неправильную процедуру отработки составных элементов КА (например, необоснованная замена акустических испытаний вибрационными и т.д.). Проведение же испытаний штатного КА с некоторым постоянным уровнем акустической нагрузки во всем частотном диапазоне может привести к превышению требований по акустическим и вибрационным нагрузкам на часть оборудования КА.

Предлагаемое изобретение позволит устранить отмеченные выше недостатки.

Предлагаемый способ испытаний КА на механические воздействия заключается в испытании КА на воздействие акустического шума на заранее заданных режимах и регистрации уровней вибрации в контрольных точках КА. Отличается от известных тем, что все акустически чувствительные элементы КА проходят в несколько этапов автономные испытания на воздействие акустического шума путем задания различных уровней нагружения. Причем места положения контрольных точек определяются заранее, при этом предварительно акустически чувствительные элементы проходят вибрационное нагружение, по результатам которого получают передаточные функции от точек крепления вышеназванных элементов к контрольным точкам. После чего проводят испытания КА на воздействие акустического шума с уровнями, соответствующими каждому этапу нагружения акустически чувствительных элементов, причем места положения контрольных точек на акустически чувствительных элементах соответствуют их положению при автономных испытаниях. При этом по результатам каждого из этапов испытаний КА проводится сопоставление реакции акустически чувствительных элементов на воздействие акустического шума при автономных испытаниях и испытаниях в составе КА и делается прогноз на результаты последующих нагружений по формуле:

где S_i(g, ω) - спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при акустических испытаниях КА;

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при автономных акустических испытаниях;

G_ik(g, ω) - передаточная функция от точки i к точке k при автономных вибрационных испытаниях;

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке k при вибрационном нагружений,

g - ускорение;

ω - круговая частота,

при этом режимы нагружения на различных этапах испытаний на воздействие акустического шума отличаются не менее чем на погрешность задания режимов, а о стойкости КА и его элементов к виброакустическим воздействиям судят по отсутствию повреждений и сохранении работоспособности. При проведении акустических испытаний штатного КА режимы испытаний корректируются после проведения очередного этапа нагружения с учетом результатов сопоставления реакции акустически чувствительных элементов на акустическое воздействие при автономных испытаниях и испытаниях в составе КА из условия непревышения требований по акустическим и вибрационным воздействиям на оборудование КА.

Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом.

При старте и на участке выведения конструкция КА его приборы и оборудование испытывают максимальные виброакустические нагрузки (акустические и вибрационные, причиной возникновения которых служит акустика). Максимальным воздействиям подвергаются акустически чувствительные элементы (АЧЭ) конструкции. АЧЭ - это элементы конструкции и приборы, которые имеют максимальную реакцию на акустическое воздействие (отношение массы к поверхности которых, как правило, не превышает величин порядка 0,2-0,3 кг/м²). В результате принимаемых конструктивных мер (заливка приборов компаундами, малая поверхность и массивные кожухи приборов и т.п.) аппаратура, имеющая малую поверхность, обладает высокой степенью внутреннего демпфирования и становится нечувствительной к воздействию акустического шума (АШ). В этом случае может быть принято решение о нецелесообразности проведения автономных испытаний на воздействие АШ. В тоже время вибрационные воздействия от АШ, передаваемые по конструкции КА к местам крепления приборов, создают дополнительное вибрационное нагружение приборов. Поэтому до проведения испытаний КА на АШ необходимо принять решение о необходимом объеме автономных испытаний оборудования.

Очевидно, что АЧЭ должны проходить автономные испытания на воздействие АШ, что позволит применять их в дальнейшем при испытаниях КА без опасности повреждения. При этом испытания необходимо проводить поэтапно с постепенным увеличением нагрузки, что позволит (например, в случае поломки) установить безопасные уровни для испытуемого оборудования, регистрируя при этом уровни вибрации в точках крепления АЧЭ. Это необходимо делать для того, чтобы исключить влияние самого АЧЭ на уровень вибрации в точке крепления. Необходимо также установить (если таковые имеются) нелинейности между нагрузкой и реакцией оборудования при вибрационном воздействии. Критерием такого анализа может служить постоянство передаточной функции (ПФ) между точками исследуемого оборудования при изменении нагрузки.

где G_ik(g, ω) - передаточная функция от точки k к точке i при автономных вибрационных испытаниях;

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке k при вибрационном нагружении,

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при вибрационном нагружении.

Проведение вибрационных испытаний и получение передаточных функций по результатам таких испытаний позволит по результатам сравнения двух видов передаточных функций делать заключение о реальной чувствительности оборудования к воздействию акустического шума. Очевидно, что при больших значениях передаточных функций по АШ автономные акустические испытания для такого оборудования обязательны. При максимальных значениях ПФ по вибрационным воздействиям обязательными являются вибрационные испытания. При близких значениях испытания должны проводиться на те и другие воздействия (в этом случае оборудование должно относиться к группе акустически чувствительного). Кроме того, при проведении испытаний КА необходимо учитывать все виды реакции конкретного оборудования как на АШ, так и на вибрационное воздействие, передаваемое по конструкции КА от АШ. Тогда прогноз нагружения оборудования в конкретной точке КА будет выполняться по формуле:

где:

S_i(g, ω) - спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при акустических испытаниях КА;

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при автономных акустических испытаниях;

G_ik(g, ω) - передаточная функция от точки k к точке i при автономных вибрационных испытаниях;

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке k (от вибрации КА) при акустических испытаниях КА;

g - ускорение;

ω - круговая частота.

Так как при увеличении нагрузки демпфирующие свойства конструкции КА возрастают, то прогноз вибрационного нагружения элементов конструкции и оборудования будет проводиться «сверху» (при сильной нелинейности) или же иметь достаточно близкое к прогнозу значение при незначительной нелинейности. Такой подход позволяет проводить испытания КА и его оборудования без опасности повреждения, когда имеются результаты автономных испытаний составных частей КА. Это особенно важно при проведении приемных испытаний КА на АШ, когда превышение режимов автономных испытаний недопустимо, т.к. это может привести к повреждению оборудования КА.

Следует также отметить, что исключение вибрационной составляющей от автономных акустических испытаний при испытании КА на АШ, также как и сложение спектральных плотностей виброускорений (СПМ), не являются тривиальными процедурами (нелинейности СПМ, случайный характер воздействия и т.д.). Обработка результатов измерений проводится с помощью пакета Matlab, для чего были дописаны на языке Simulinc специальные макросы. Но эти процедуры относятся к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматриваются.

Пример практического исполнения

Испытания по рассмотренной методике проводились на инженерном макете одного из КА класса «Экспресс AM». Вибрационные испытания проводились на стенде ВЭДС-10000, а акустические в реверберационной камере РК660 объемом 660 м³. В качестве примера рассмотрим испытания радиатора системы терморегулирования (СТР). Радиатор СТР имеет отношение массы к своей поверхности ˜ 0,18 кг/м² и является типовым АЧЭ. В качестве контрольных точек рассмотрим 2 точки: в месте крепления радиатора к гермоконтейнеру и точку крепления двигательного блока (ДБ) к радиатору СТР.

Испытания на воздействие АШ проводились на трех уровнях с полным среднеквадратическим уровнем звукового давления в 138, 142 и 146 дБ (погрешность задания режима для спектральной плотности акустического давления не превышала ±3 дБ во всем диапазоне частот). Вибрационные воздействия также проводились в три уровня с максимальными значениями СПМ в диапазоне 50-1000 Гц в 0,05; 0,1 и 0,2 g²/Гц. Нарастание и спад нагрузки составлял ±6 дБ до 50 и после 1000 Гц. Разброс значений передаточной функции находился в пределах допустимой погрешности в ±3 дБ для СПМ.

На фиг.1 показана передаточная функция между точками крепления радиатора СТР и ДБ, полученная при автономных вибрационных испытаниях радиатора. На фиг.2 показаны: 1 - нормативное значение СПМ для ДБ, 2 - прогноз, выполненный по формуле (*), 3 - результаты измерений при акустических испытаниях КА на воздействие АШ. Как видно из чертежей, имеется хорошее совпадение прогноза и испытаний. После проведения испытаний КА был проведен внешний осмотр, а затем и проверка функционирования радиатора. Повреждений не выявлено. Затем для гарантии безотказной работы и формирования режимов приемных испытаний КА было сделано «вырезание» акустического воздействия в частотных диапазонах от 30 до 400 Гц для соблюдения требований спецификаций на ДБ. На фиг.3 показаны: 1 нормативное значение СПМ для ДБ, 2 - результаты измерений при нагружении на режимах приемных испытаний (с учетом вырезания уровней АШ до значений, примерно соответствующих режиму 142 дБ). Превышения требований спецификаций при испытаниях не произошло.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.

Изобретение относится к области испытаний космических аппаратов на механические воздействия. Техническим результатом изобретения является повышение точности при проведении испытаний. Способ испытаний космического аппарата на механические воздействия заключается в испытании космического аппарата на воздействие акустического шума на заранее заданных режимах и регистрации уровней вибрации в контрольных точках космического аппарата. При этом все акустически чувствительные элементы космического аппарата проходят автономные испытания на воздействие акустического шума и вибрационного нагружения, после чего проводят испытание космического аппарата на воздействие акустического шума. При этом по результатам каждого из этапов испытаний космического аппарата проводят сопоставление реакции акустически чувствительных элементов на воздействие акустического шума при автономных испытаниях и испытаниях в составе космического аппарата и делают прогноз на результаты последующих нагружений. О стойкости космического аппарата и его элементов к виброакустическим воздействиям судят по отсутствию повреждений и сохранению работоспособности космического аппарата и его оборудования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ испытаний космического аппарата на механические воздействия, заключающийся в испытании космического аппарата на воздействие акустического шума на заранее заданных режимах и регистрации уровней вибрации в контрольных точках космического аппарата, отличающийся тем, что все акустически чувствительные элементы космического аппарата проходят в несколько этапов автономные испытания на воздействие акустического шума путем задания различных уровней нагружения, причем места положения контрольных точек определяются заранее, при этом предварительно акустически чувствительные элементы проходят вибрационное нагружение, по результатам которого получают передаточные функции по ускорению от точек крепления выше названных элементов к контрольным точкам, после чего проводят испытания космического аппарата на воздействие акустического шума с уровнями, соответствующими каждому этапу нагружения акустически чувствительных элементов, причем места положения контрольных точек на акустически чувствительных элементах соответствуют их положению при автономных испытаниях, при этом по результатам каждого из этапов испытаний космического аппарата проводят сопоставление реакции акустически чувствительных элементов на воздействие акустического шума при автономных испытаниях и испытаниях в составе космического аппарата и делают прогноз на результаты последующих нагружений по формуле

где S_i(g, ω) - спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при акустических испытаниях КА;

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при автономных акустических испытаниях;

G_ik(g, ω) - передаточная функция от точки k к точке i при автономных вибрационных испытаниях;

- спектральная плотность мощности виброускорения в точке k (от вибрации КА) при акустических испытаниях КА,

g - ускорение;

ω - круговая частота,

при этом режимы нагружения на различных этапах испытаний на воздействие акустического шума отличаются не менее чем на погрешность задания режимов, а о стойкости космического аппарата и его элементов к виброакустическим воздействиям судят по отсутствию повреждений и сохранению работоспособности космического аппарата и его оборудования.