СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА ВИБРАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01M7/02 

В процессе разработки и изготовления аппаратура космического аппарата (КА) проходит испытания на механические воздействия. Наиболее распространенной процедурой испытаний являются вибрационные испытания на режимах, регламентируемых различной нормативной документацией. Для проведения вибрационных испытаний наиболее часто используются: испытания на гармоническую вибрацию (ГВ) методом плавного изменения частоты и испытания на широкополосную случайную вибрацию (ШСВ) на заранее заданных (нормированных) режимах (Испытательная техника. Справочник в 2-х т. / Под ред. Клюева В.В., т.2. М.: Машиностроение, 1982, стр.286-289) - прототип.

К существенным недостаткам испытаний аппаратуры на вибрационные воздействия относятся завышенные (не всегда обоснованные) воздействия на нее в области резонансных частот.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более качественно проводить испытания аппаратуры КА и исключить завышенное нагружение аппаратуры при испытаниях. Решение этой задачи достигается тем, что при определении собственных частот бортовой аппаратуры дополнительно определяют добротность на каждой резонансной частоте и делают прогноз отклика, причем при превышении допустимых значений амплитуды ускорений на бортовую аппаратуру при испытаниях проводят корректировку заданного нормированного воздействия в области резонансных частот, причем ширину изменения амплитудно-частотного диапазона определяют по формуле

где:

ΔΩ_i - ширина частотного диапазона, Гц;

2Δf_i - эффективная ширина пропускания колебательного звена на "i" резонансной частоте;

Q_i - добротность на "i" резонансной частоте;

f_pi - "i" резонансная частота, Гц;

δ_i - погрешность задания диапазона частот на "i" резонансной частоте,

при этом амплитуду нагружения корректируют по формуле

где

Ψ_i1 - амплитуда откорректированного нормированного воздействия на "i" резонансной частоте (размерность в "g" - для гармонической вибрации и "g²/Гц" для широкополосной случайной вибрации);

Ψ_i0 - амплитуда заданного нормированного воздействия на "i" резонансной частоте (размерность в "g" - для гармонической вибрации и "g²/Гц" для широкополосной случайной вибрации);

ξ_i - квалификационный коэффициент на "i" резонансной частоте;

ή_i - коэффициент изменения амплитуды заданного нормированного воздействия на "i" резонансной частоте, причем ξ_i≥η_i≥1.

При этом наклон уменьшения/возрастания в области резонансов корректируемого нормированного воздействия принимают из диапазона 20-30 дБ/окт, исключающего возникновение при испытаниях переходных процессов, после чего проводят испытания на откорректированном режиме.

Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом.

При проведении вибрационных испытаний как на ГВ, так и на ШСВ наибольшее нагружение испытуемой аппаратуры приходится на область резонансных частот. Нормированные режимы испытаний формируются как эксплуатационные режимы, умноженные на коэффициенты квалификации (безопасности). Как известно, коэффициенты квалификации используются для того, чтобы учесть неопределенные факторы, которые могут возникнуть при эксплуатации аппаратуры в составе КА. К таким факторам относятся помимо разброса нагрузок со стороны КА и резонансы аппаратуры (точнее демпфирование в области резонансных частот, которое расчетным путем определить невозможно). При формировании режимов нагружения/испытаний добротность аппаратуры принимается, как правило, Q=10, но реальная ее величина может быть различной на различных частотах (для бортовой аппаратуры современных космических аппаратов ее величина находится в диапазоне значений 10-30, причем, как правило, в диапазоне частот до 150-200 Гц резонансы отсутствуют). Поэтому первым этапом испытаний является определение собственных частот испытуемой аппаратуры. Так как значения собственных частот не зависят от вида вибрационного воздействия (случайное или гармоническое), то отличие может быть только из-за погрешности регистрации частот δ_i. В процессе проведения частотных испытаний, зная входное воздействие и отклик на различных частотах, можно получить значения добротностей на резонансных частотах. Для значений логарифмического декремента колебаний менее 0,05 (добротность Q>10) коэффициент динамичности фактически равен значению добротности (Гудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. - М.: Энергия 1980, стр.182, формула 5.13).

Получив значения добротностей для аппаратуры, проводят далее оценку ее отклика на нормированное воздействие. Это можно сделать с использованием полученной передаточной функции как для гармонической, так и для случайной вибрации. Например, для ШСВ формула выглядит следующим образом.

где

S₁(f) - отклик на входное (нормированное) значение спектральной плотности виброускорений "g²/Гц";

H(f) - передаточная функция для аппаратуры;

S₀(f) - входное (нормированное) значение спектральной плотности виброускорений, "g²/Гц".

Сравнивая полученный отклик с допустимыми значениями для комплектующих аппаратуры (при превышении допустимых значений на резонансных частотах), принимают решение о корректировке входного воздействия.

Как известно, эффективная ширина резонансной полосы пропускания равна

(Гудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. - М.: Энергия, 1980, стр.183, формула 5.17). Т.е. в этом диапазоне частот располагается околорезонансная область, где происходит наиболее значительное усиление амплитуды колебаний.

Коэффициенты квалификации показывают необходимый запас относительно эксплуатационных значений нагрузок и включают в себя возможную степень вариативности воздействия и отклика аппаратуры (ее резонансных свойств). Уменьшение амплитуды воздействия при испытаниях на величину коэффициента квалификации в зоне резонансов проводят из следующих соображений: так как резонанс выявлен, то неопределенность с его существованием уже исчезла, а неопределенность по внешним воздействиям при автономных испытаниях отсутствует, т.к. испытания проводят на заранее заданных режимах. Кроме того, резонансные эффекты даже для конструкции приборов с добротностью Q~10 значительно превышают возможный разброс по внешним воздействиям (при этом режимы испытаний итак формируются из условий максимального нагружения), и увеличивать внешнее воздействие и соответственно резонансы еще в 1,5-2 раза нет никакой необходимости. Кроме того, при наличии узкого резонанса (добротность выше 15) изменение в 1.5-2 раза величины входного воздействия почти не влияет на величину среднего квадратического значения ускорений отклика. Следует заметить, что на резонансах с добротностью до 5-7 проводить изменение нормированного режима нет необходимости, т.к. допустимые уровни, например, по случайной вибрации на комплектующие аппаратуры обычно в 10-100 раз выше задаваемого на вход в аппаратуру воздействия.

Также понятно, что помимо непосредственного диапазона эффективной ширины резонансной полосы пропускания изменение ширины диапазона по частоте должно быть расширено на δ_i (погрешность задания диапазона частот на "i" резонансной частоте). Одной из характеристик откорректированного профиля нормированного воздействия является его наклон (уменьшение или возрастание) в области резонансов. Наклон корректируемого нормированного воздействия принимают максимально допустимым для применяемого испытательного оборудования. Это позволяет корректно "вырезать" даже достаточно острый резонанс. Но полученный профиль должен исключить возникновение переходных процессов в системе управления стендом при испытаниях на границах диапазонов. Иначе эффекты, которые возникают в системе управления при переходных процессах, могут увеличить задаваемый сигнал больше, чем величина "вырезания". Но эти параметры для каждой испытательной системы известны и могут быть учтены при испытаниях. Для большинства систем управлений этот наклон находится в диапазоне 20-30 дБ/октаву.

Таким образом, проведя определение собственных частот и получив значение добротности на этих частотах, по формуле (1) формируют (корректируют) режим испытаний аппаратуры.

Пример практического исполнения

На фиг.1 показан режим частотных испытаний с уровнем 1g (испытания на гармоническую вибрацию в диапазоне частот 5-2000 Гц) и отклик в одной из точек контроля прибора системы управления КА: задаваемый режим частотных испытаний -график "1" и отклик в одной из точек контроля - график "2".

Как видно из фиг.1, получают резонансные частоты f₁=279,6 Гц; f₂=360,2 Гц; f₃=680,1 Гц; f₄=879,2 Гц; f₅=1801 Гц и добротности на этих частотах Q₁=7,2; Q₂=6,04; Q₃=6,17; Q₄=7,76; Q₅=4,71. Добротности определяются как отношение отклика на резонансной частоте к задаваемому сигналу в 1g. Погрешность на этих частотах составляет величину ~5%.

На фиг.2 показан режим испытаний на случайную вибрацию прибора: задаваемый (нормированный) режим - график "3", допустимый уровень случайной вибрации для прибора - "4" и прогнозируемый отклик в одной из точек контроля - график "5".

Как видно из фиг.2, корректировка режима нагружения требуется только для частот f₁-f₄ (отклик превышает допустимые уровни).

Воспользовавшись формулой (*) с учетом коэффициента квалификации по спектральной плотности мощности, равного 2,25, получим для исходного нормированного режима в 0,2 g²/Гц в диапазоне 50-1000 Гц с убыванием в 6 дБ к 50 Гц и к 2000 Гц.

Диапазоны вырезания: (226.8-332.4) Гц, (307.4-413) Гц, (627.3-732.9) Гц, (826.3-931.9) Гц. Два первых диапазона объединяют в один: (226.8-413) Гц.

На фиг.3 показан откорректированный режим испытаний на случайную вибрацию прибора: задаваемый (нормированный) режим - график "6", отклик в одной из точек контроля - график "7", допустимый уровень "4". При этом наклон кривой уменьшения/возрастания корректируемого нормированного режима в области резонансов составил 24 дБ/октаву. Как видно из фиг.3, сформированный режим обеспечивает нагружение прибора без превышения допустимых уровней, при этом величина среднего квадратического значения виброускорения (которое и определяет прочность прибора) изменяется незначительно (в пределах допустимой погрешности при испытаниях).

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

Изобретение относится к области испытаний на механические воздействия (вибрационные испытания) аппаратуры. Способ заключается в том, что при определении собственных частот бортовой аппаратуры дополнительно определяют добротность на каждой резонансной частоте и делают прогноз отклика, причем при превышении допустимых значений амплитуды ускорений на бортовую аппаратуру проводят корректировку заданного нормированного воздействия в области резонансных частот, а ширину изменения амплитудно-частотного диапазона определяют по формуле, амплитуду нагружения корректируют с учетом амплитуды откорректированного нормированного воздействия на резонансной частоте, при этом наклон уменьшения/возрастания в области резонансов корректируемого нормированного воздействия принимают из диапазона 20-30 дБ/окт, исключающего возникновение при испытаниях переходных процессов, после чего проводят испытания на откорректированном режиме. Техническим результатом является исключение завышенных нагрузок на аппаратуру при проведении испытаний. 3 ил.

Способ испытаний бортовой аппаратуры космического аппарата на вибрационные нагрузки, заключающийся в предварительном определении собственных частот аппаратуры и последующем ее нагружении заранее заданным нормированным воздействием, отличающийся тем, что при определении собственных частот бортовой аппаратуры дополнительно определяют добротность на каждой резонансной частоте и делают прогноз отклика, причем при превышении допустимых значений амплитуды ускорений на бортовую аппаратуру проводят корректировку заданного нормированного воздействия в области резонансных частот, а ширину изменения амплитудно-частотного диапазона определяют по формуле

где ΔΩ_i - ширина частотного диапазона, Гц,
2Δf_i - эффективная ширина пропускания колебательного звена на "i" резонансной частоте, Гц,
Q_i - добротность на "i" резонансной частоте,
f_pi - "i" резонансная частота, Гц,
δ_i - погрешность задания диапазона частот на "i" резонансной частоте, Гц,
при этом амплитуду нагружения корректируют по формуле

где Ψ_i1 - амплитуда откорректированного нормированного воздействия на "i" резонансной частоте (размерность в "g" - для гармонической вибрации и "g²/Гц" для широкополосной случайной вибрации),
Ψ_i0 - амплитуда заданного нормированного воздействия на "i" резонансной частоте (размерность в "g" - для гармонической вибрации и "g²/Гц" для широкополосной случайной вибрации),
ξ_i - квалификационный коэффициент на "i" резонансной частоте,
η_i - коэффициент изменения амплитуды заданного нормированного воздействия на "i" резонансной частоте, причем ξ_i≥η_i≥1,
при этом наклон уменьшения/возрастания в области резонансов корректируемого нормированного воздействия принимают из диапазона 20-30 дБ/окт, исключающего возникновение при испытаниях переходных процессов, после чего проводят испытания на откорректированном режиме.