Особенности испытаний агрегатов с низкой частотой резонанса на механические воздействия

Агрегаты исполнительной автоматики системы терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) различаются по назначению, принципу действия и конструкции. Основное требование, предъявляемое к ним - обеспечение бесперебойного функционирования в условиях штатной эксплуатации в течение всего срока активного существования (САС) КА на орбите. Различие в принципе действия агрегатов и в способе его конструктивной реализации определяет выбор методики подтверждения соответствия требованиям по механическим воздействиям для каждого конкретного агрегата. В программу механических испытаний включаются нагрузки, имитирующие этап выведения КА, а именно удары, квазистатические синусоидальные и случайные вибрации. Требования по стойкости к механическим нагрузкам определяются для КА, заносятся в Нормы прочности и ложатся в основу программы экспериментальной отработки, приемки узлов и агрегатов в технологическом процессе изготовления.

Такие агрегаты исполнительной автоматики, как элек-тронасосный агрегат (ЭНА), вентилятор, терморегулятор, конструктивно построены из элементов, обладающих высокой жесткостью, поэтому процедура проверок в процессе механических испытаний используется стандартная. Кроме того, в составе активной системы терморегулирования (СТР) КА имеется компенсатор объема (КО), предназначенный для поддержания в заданном диапазоне давления рабочей жидкости (РЖ) в магистрали СТР при изменениях объема РЖ вследствие колебаний тем пературы. Для обеспечения изменения объема содержащейся в КО жидкости в его конструкции имеется тонкостенный сварной сильфон большого диаметра. В силу этой особенности конструкция КО имеет резонансы на низких частотах до 150 Гц, что приводит к высоким уровням механических воздействий и, как следствие, к потере герметичности при механических испытаниях. Ставится задача определения стойкости конструкции КО к механическим нагрузкам в натурных условиях. Аппаратура должна сохранять работоспособность во время (если при воздействии механических нагрузок аппаратура включена) и после воздействия следующих механических нагрузок (табл. 1,2).

В условиях приведенных выше нагрузок критичным элементом КО является сильфон, так как требования по назначению предполагают низкую жесткость его конструкции. При возникновении резонанса в элементах конструкции с низкой жесткостью возможно разрушение этого элемента.

При автономных испытаниях КО в соответствии с требованиями табл. 1и 2 был выявлен отказ (разгерметизация). Результаты измерений собственных частот КО показали наличие широкого спектра собственных частот в диапазоне до 150 Гц (рис. 1). На рисунке приведены зависимости виброускорения в направлении осей А, У и 2КО (соответственно сверху вниз) от частоты. На графиках представлены значения основной гармоники сигнала виброускорения Ag и среднеквадратические значения сум-

Таблица 1

Механические нагрузки	Перпендикулярно плоскости		Параллельно плоскости
	Частота, Гц	Уровень	Частота, Гц	Уровень
Синусоидальные воздействия	5-10 10-20 20-100	±10 мм от ±4 до ±20 g ±20g	5-10 10-20 20-100	±10 мм от±4 до±15 g ±15 g
Случайная вибрация	20-50 50-1 000 1 000-2 000	+6 дб/октаву 0,4 g 2 /Гц -6 дб/октаву	20—50 50-1 000 1 000-2 000	+6 дб/октаву 0,1 g 2 /Гц -6 дб/октаву
Среднеквадратичное значение, g	25,5		13

Таблица 2

Направление действия	Ускорение, м/с (g)
Продольное (по оси ОУ КА)	±147,2 (±15)
Боковое (любое в плоскости YOZ КА)	±196,2 (±20)

Ag. g+Sq, g                                  Ag, g+Sq, g                                  Ag, g+Sq, g

марного сигнала виброускорения Sq. Несовпадение кривых 1 и 2 на рис. 1 (соответственно до и после испытаний) свидетельствует о разрушении конструкции.

Динамический анализ сильфона в составе КО и с учетом его подключения к гидросистеме КА, выполненный с применением программной среды CATIA и приложения Sim Designer, показал снижение виброускорения по сравнению с заданными для автономных испытаний значениями в 4 раза. Значения напряжений в материале сильфона получены ниже допустимых (рис. 2).

Напряжение по фон Мизесу (узловые значения).2

N_m2

1,37е+008

1,23е+оое• /

1,096+008                    '

9,586+007                 .’

8,216+007J

6,84е+007                        ~■

5,47е+007          ЯД6~.

4,1е+007                        *-

2,74е+007.

1,376+007                       ..

2е+003                    '.

На границе.                            ." .

Рис. 2. Результаты динамического анализа сильфона в Sim Designer

При динамическом анализе КО было использовано то обстоятельство, что значения нагрузок, приведенные в табл. 1и 2, должны действовать на конструкцию КА вблизи от испытываемого узла. При любом положении КО относительно источника механических воздействий он будет присоединен к трубопроводу СТР и к силовому каркасу КА (рис. 3).

Указанные особенности интеграции КО в конструкцию КА создают эффект виброизоляции, обусловленный наличием элемента жесткости и элемента вязкости (сопротивления) между источником механического воздействия и «защищаемым» объектом. Результаты динамического анализа КО дали основание считать, что он способен выдержать нагрузки в составе КА.

Завершающей фазой комплекса работ по оценке работоспособности конструкции КО в условиях штатной эксплуатации стали частотные испытания на макете в условиях, близких к натурным. Результаты частотных испытаний КО в составе макета для динамических испытаний подтвердили, что требование по отсутствию резонансов в диапазоне частот до 150 Гц выполняется. В ходе испытаний (в рамках программы SESAT) были в целом подтверждены результаты динамического анализа и выработаны требования к механическим нагрузкам для автономных испытаний КО.

Рис. 3. Компенсатор объема в составе макета для динамических испытаний

В программу проверки КО на механические воздействия включены испытания лишь на вибрацию с уровнями, приведенными в табл. 3.

Квалификация узлов с элементами конструкции, имеющими низкую собственную частоту колебаний, для применения в составе КА, требует учета условий интеграции этих узлов в силовую схему КА. Дополнение автономных испытаний узлов и агрегатов их динамическим анализом с учетом способа включения в конструкцию КА и подтверждение результатов анализа испытанием в составе динамического макета позволяет исключить отбраковку работоспособных узлов и агрегатов, таким образом снижая себестоимости создания и отработки КА.

Таблица 3

Частота, Гц	5-10	10-20	20-40	40-80	80-160	160-320	320-640	640 - 1280	1 280-2 000
Ускорение, g	1	2	3	4,8	6,5	7,5	9	10,5	11,5

FEATURES OF TESTS FOR MECHANICAL LOADINGS OF UNITS WITH A LOW RESONANCE FREQUENCY

The problem of qualification of units and units of space vehicles on resistance mechanical influences is considered. For the units having elements with low own frequency, the approach supplementing independent tests by the dynamic analysis in view of a way of their integration into a design of a space vehicle is offered. The result of the dynamic analysis proves to be true test of units, in the considered case the equaliser of volume, in active system of temperature-controling, in structure of a breadboard model of space vehicle for dynamic tests, and the contents of the program of independent tests of such unit is established on the basis of the given approach.