Алгоритм анализа экспериментальных данных и расчета режима нагружения при вибрационных испытаниях космического аппарата

В настоящее время при разработке и наземной отработке сложных систем в различных областях техники (авиационной, космической, судостроительной и т. д.) все большее значение придается моделированию поведения этих систем в условиях эксплуатации, что позволяет предсказать поведение реальной конструкции и помогает избежать аварийных ситуаций.

Проведение виброиспытаний требует значительных материальных затрат, и поэтому необходимо, чтобы эти испытания были проведены с максимальной эффективностью.

В статье [1] освещены принципиальные вопросы проведения динамических (вибрационных и акустических) испытаний космических аппаратов (КА) на завершающих этапах их изготовления с целью выявления технологических дефектов сборки.

При проведении вибрационных испытаний КА одними из важнейших являются следующие этапы:

• -    анализ экспериментальных данных;

• -    расчет испытательного режима вибрационного воздействия на КА в виде зависимости ускорения от частоты в интерфейсе «КА - вибростенд».

Экспериментальные данные представляют собой зависимости виброускорений от частоты с измерительных датчиков (акселерометров) при воздействии на космический аппарат (рис. 1, 2), при этом различные элементы конструкции КА имеют различные по частоте и амплитуде отклики ускорений амплитудно-частотные характеристики (АХЧ) элементов конструкции КА.

Рис. 1. Схема размещения акселерометров на КА при проведении виброиспытаний: 1 - антенный блок;

2 - акселерометры; 3 - космический аппарат; 4 - устройство отделения; 5 - пневмоопоры; 6 - оснастка; 7 - шаровой шарнир; 8 - электродинамический вибровозбудитель

Необходимость расчета испытательного режима логически вытекает из-за существенной неравномерности амплитудно-частотных характеристик элементов конструкции спутника, на которых установлена аппаратура КА. Следовательно, при вибрационном кинематическом возбуждении КА на резонансах этих элементов в местах крепления аппаратуры могут возбудиться такие нагрузки, которые значительно превышают нагрузки, использовавшиеся для автономной отработки аппаратуры на вибропрочность, и которые могут привести к повреждению аппаратуры.

^“ ■ Кронштейн крепления аппаратуры на термоконтейнере

—— Кронштейн крепления аппаратуры на тепловом радиаторе

Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики различных элементов конструкции при вибрационном воздействии низкого уровня на КА

Рассмотрим алгоритм анализа экспериментальных данных в виде АЧХ и расчета безопасных уровней вибрационного воздействия на КА.

Предположим, что на задающее кинематическое воз-буждение А ₀ =А ₀ (щ) получены отклики амплитуд ускорений в местах установки акселерометров в виде

А . - А . (щ).

Вычислим зависимости передачи ускорений для каждой точки контроля по формуле

А.

K i ( ®)-    .

A

Затем сделаем прогноз реакции каждой точки на нормированное испытательное воздействие А _0н (ю) в предположении о линейности развития амплитуд на увеличение амплитуды нагрузки:

^А '"-' ^{К А} 0н .

Полученные зависимости сопоставим с зависимостью режима нагружения приборов для их автономной отработки:

A „

K „ = -  <0,8, где К - коэффициент достижения испытательной нагрузки.

Теоретически должно выполняться равенство Кп= 1. Однако здесь необходимо отметить, что приближаться к идеальному совпадению с режимом нагружения приборов рискованно по следующим соображениям:

• -    автономная отработка производится с нормированной погрешностью задания режима не хуже d = ±20 %;

• -    задание испытательного режима для КА производится с нормированной погрешностью не хуже d _п =±15 %;

• -    погрешность определения амплитуд ускорений измерительными средствами d должна быть не хуже d =±11,5%.

И

Таким образом, выбирая наихудший вариант из полученной измерительной информации и задания режима, необходимо снизить идеальный коэффициент К и сделать его равным

K = 1 - ^^п-

п

Если функцияКп(to) > 0,8 в диапазонах частот to < to < to.+1, т. е. на кривой резонанса не выполняется условие непре вышения отклика над режимом автономной отработки, то необходимо снижение испытательного уровня спутника на пропорциональную величину отношения Кп. По этому для резонансного диапазона частот to. < to < to.+1 процедура для всех точек контроля конструкции будет рас считываться по формуле

‘

A = K п • а для to3< to. < to..+1 - по формуле

A = -A s .

i

^K п I              _ _

По полученным результатам строится обобщенная

(огибающая) зависимость отклика конструкции

A z = A ( to )

и профиль нагружения

A = ah (to)

для всего испытательного диапазона частот.

Анализируя полученный результат, необходимо иметь в виду, что испытательный уровень ни в одной области не должен быть меньше эксплуатационного уровня Э(to)• когда испытания становятся бессмысленными, т. е. А > Э.

В случае получения отрицательного результата необходимо провести дополнительный, более глубокий анализ результатов экспериментальной отработки узла или прибора, на котором зарегистрированы слишком большие коэффициенты передачи ускорений.

Следует подчеркнуть, что из-за безусловной важности выполнения требования о непревышении в местах крепления аппаратуры нормированных нагрузок, а также перечисленных выше погрешностей задания испытательных режимов и измерения амплитуд ускорений, расчет режима нагружения и вибрационные испытания космического аппарата проводятся в несколько этапов, как правило в три этапа.

1-й этап - испытания КА на низком уровне. Для вибрационного воздействия на КА используется заранее заданный режим нагружения малого уровня. Предусматривается, что при таком режиме нагружения КА в местах крепления аппаратуры не будут превышены нормированные нагрузки, которые используются для автономной отработки, однако по откликам акселерометров при этом будут получены достоверные амплитудно-частотные характеристики.

Полученные экспериментальные данные по изложенному выше алгоритму используются для расчета двух последующих режимов испытаний спутника: первый -для 2-го этапа испытаний КА на среднем уровне, второй - для 3-го этапа испытаний на высоком уровне.

Расчет режима для 2-го этапа испытаний обычно проводится исходя из условия непревышения 50.. .70 % нормированных нагрузок в местах крепления аппаратуры, для 3-го этапа испытаний из условия непревышения 100 % нормированных нагрузок в местах.

По откликам, полученным при испытаниях на 2-м этапе, уточняют динамику изменения амплитудно-частотных характеристик конструкции в зависимости от изменения уровней нагружения КА и при необходимости проводят корректировку рассчитанного режима для 3-го этапа испытаний.

После испытаний КА на 3-м этапе с высоким уровнем нагружения проводят сравнение полученных откликов с нормированными нагрузками на аппаратуру, чтобы подтвердить правильность алгоритма анализа экспериментальных данных и расчета режимов вибрационного нагружения при вибрационных испытаниях КА.

Последовательность испытаний, анализа откликов и расчета режимов нагружений представлена блок-схемой (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема последовательности испытаний, анализа откликов и формирования режимов испытаний

В качестве примера приведем один из вариантов формирования режима виброиспытаний в диапазоне частот от 5 до 100 Гц космического аппарата «Экспресс-АМ22» объединения прикладной механики имени академика совместного производства Научно-производственного М. Ф. Решетнева (НПО НМ) и фирмы «Alcatel» (рис. 4).

Рис. 4. Результаты измерений виброускорений при вибрационных нагрузках на сформированном режиме виброиспытаний КА «Экспресс-АМ22»

В заключение сделаем вывод, что приведенный алгоритм анализа экспериментальных данных легко программируется и может быть применен для космических аппаратов различного конструктивного исполнения. Положительные результаты по использованию предложенного алгоритма получены при виброиспытаниях большого количества КА НПО НМ, в том числе и выполненных по международным контрактам («SESAT», «Экспресс-АМ1» - «Экспресс-АМ4»).

Следует отметить, что отклики конструкции на низком и высоком уровнях могут быть непропорциональными, что свидетельствует о нелинейности жесткостных характеристик конструкции. Для этих случаев необходи мо предусмотреть повторение описанной выше процедуры для промежуточных уровней нагружения и принятия более точного решения.