Техническая апробация метода проведения испытаний на вибрационные воздействия бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов

Современные космические аппараты (КА) представляют собой сложные технические устройства, которые состоят из большого числа бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), которая объединена в единую конструкцию посредством несущих элементов каркаса и бортовой кабельной сети. Данная бортовая РЭА выполняет целевые задачи КА в течение всего

срока активного существования (САС) [1]. С целью обеспечения бесперебойного выполнения целевых задач перед началом штатной эксплуатации КА на целевой орбите в обязательном порядке проводится целый комплекс мер по наземной экспериментальной отработке (НЭО) всех составных частей КА, которые имитируют этап хранения, выведения и штатной эксплуатации изделия на целевой орбите. Одной из составных частей НЭО является проведение механических испытаний бортовой РЭА, имитирующих этап транспортирования и этап выведения на целевую орбиту.

ОСМИЧЕСКИЕАППАРАТЫ И

ТЕХНОЛОГИИ вин

1.    Виды механических воздействий и их влияние при испытаниях

Испытания на механические нагрузки при транспортировании представляют собой воздействия на множественные ударные воздействия с малым ускорением, имитирующие механические воздействия, возникающие при транспортировке изделия различными видами наземного и воздушного транспорта. В свою очередь, испытания на механические воздействия, имитирующие этап 106 выведения, представляют собой два основных вида механических воздействий [2]. Первый вид механических воздействий при испытаниях – это одиночные механические удары, имеющие боль- шую величину ускорения и имитирующие процессы отстыковки при выведении КА на целевую орбиту. Вторым видом механических воздействий являются вибрационные нагрузки, которые включают в себя две основные составляющие, а именно гармоническую синусоидальную вибрацию путём плавного изменения частоты и широкополосную случайную вибрацию (ШСВ) на заранее заданных (нормированных) режимах. При этом известно, что в ходе НЭО наиболее критичным видом воздействий для бортовой РЭА, особенно для хрупких материалов и элементов в ее составе, является воздействие ШСВ [3]. Это связано с тем, что при ШСВ происходит воздействие вибрации, имеющей наибольшую величину энергии колебаний в сравнении с другими видами механических воздействий. Однако при проведении испытаний на воздействие ШСВ при определенных условиях возникали явления, приводящие к разрушению составных частей объекта испытаний в процессе его НЭО, как показано на рисунке 1.

В результате анализа было определено, что причиной возникновения разрушений были резо-

Рисунок 1. Результат разрушения элемента кварцевого генератора

№ 2 (48) 2024 Том 8

нансные явления, возникающие в процессе воздействия ШСВ на составные элементы бортовой РЭА, в том числе электрорадиоизделия (ЭРИ), в результате которых они испытывали перегрузки, которые в сотни раз превышали те перегрузки, которые могут быть при их штатном выведении на целевую орбиту в составе КА. Для решения данной проблемы был разработан метод проведения испытаний на вибрационные воздействия бортовой РЭА, заключающийся в так называемой процедуре «вырезания частот» [4]. Далее будет описана основная техническая суть разработанного метода и результаты применения данного метода на практике натурных испытаний бортовой РЭА.

2.    Метод проведения механических испытаний

Основой разработанного метода являются операции, которые в комплексе позволяют исключить из воздействия уровни механических нагрузок, не соответствующие заданным нормированным режимам испытаний. При этом базисом для нормированных режимов испытаний являются режимы, соответствующие эксплуатационным уровням механических воздействий в процессе штатного выведения на целевую орбиту [5]. Для подтверждения квалификационного запаса прочности объекта испытаний к данному базису применяется соответствующий повышающий коэффициент квалификации (безопасности). Используемые повышающие коэффициенты квалификации подтверждают наличие необходимого запаса прочности по отношению к уровням воздействующих нагрузок при штатном выведении КА на целевую орбиту [6]. Также данные коэффициенты учитывают в себе исчерпывающую степень возможных факторов неопределенности, которые могут проявиться в бортовой аппаратуре в виде резонансных явлений. Так, например, данными факторами неопределенности могут быть разброс нагрузок со стороны КА и явления демпфирования в области резонансных частот, которые невозможно выявить расчетным методом [7].

Известно, что при проведении вибрационных испытаний, как на гармоническую синусоидальную вибрацию, так и на ШСВ, бортовая РЭА испытывает наибольшие перегрузки в зоне резонансных частот. Для обеспечения адекватных уровней воздействий в момент резонансных частот в процессе испытаний было предложено проведение следующих процедур, описанных ниже [8].

Так, при формировании режимов нагружения/ испытаний обычно коэффициент добротности бортовой РЭА принимается в Q = 10, но действительная ее величина на практике может быть отличной от данного значения на разной частоте вибрационных воздействий. Практика показывает, что для

Техническая апробация метода проведения испытаний на вибрационные воздействия… бортовой РЭА КА коэффициент добротности находится в диапазоне от 10 до 30. При этом обычно при частоте до 150-200 Гц явления резонансов в бортовой РЭА отсутствуют [9]. Поэтому первым этапом испытаний является определение собственных частот испытуемой аппаратуры [10]. В связи с этим на первоначальном этапе при проведении испытаний в соответствии с нормативной документацией на механические воздействия выполняется определение собственных частот бортовой РЭА на малых уровнях вибрационных воздействий (0,2–0,5 g на гармонических синусоидальных нагрузках или 0,005 g2/Гц для ШСВ) в заданном диапазоне частот. Обязательным условием для проведения механических испытаний бортовой РЭА является установка на нее акселерометра. В процессе определения собственных частот бортовой аппаратуры необходимо определять добротность Q элементов бортовой РЭА при каждой резонансной частоте. При этом отношение виброускорения, регистрируемое акселерометром, к задаваемому ускорению не должно превышать Q = 6. В случае превышения этого значения с большой вероятностью можно ожидать выхода из строя некоторых ЭРИ.

В результате мы получаем график резонансных частот объекта испытаний, который приведен на рисунке 2.

После определения резонансных частот выполняется расчет отклика объекта испытаний с последующим сравнением рассчитанного отклика с допустимыми значениями воздействий на бортовую РЭА.

Так, для ШСВ величина отклика определяется по формуле (1):

S ( f i ) = S 0 ( f i ) ∙ Q i ², (1)

где

S o ( f i ) — входное воздействие спектральной плотности мощности (СПМ) на резонансной частоте f_i ;

S ( f_i ) – отклик СПМ на резонансной частоте f_i .

Отклик для синусоидальной гармонической вибрации определяется по формуле (2):

A ( f i ) = A 0 ( f i ) ∙ Q i                    (2)

где:

A ₀( f_i ) – входное воздействие синусоидальной вибрации на резонансной частоте f_i ;

A (fi ) — отклик синусоидальной вибрации на резонансной частоте f_i .

При этом ширину амплитудно-частотного диапазона, подлежащего корректировке, определяют по формуле (3):                                     ¹⁰⁷

∆Ω = 2∆ f i + δ i = ( f pi / Q i ) + δ i           (3)

где

∆Ω _i – ширина частотного диапазона, Гц;

2Д fi - 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.

Общий вид результата определения ширины амплитудно-частотного диапазона, подлежащего корректировке, приведен на рисунке 3.

В случае если были обнаружены области резонансных частот на составные части бортовой РЭА, то необходимо производить корректировку заданного нормированного воздействия в области резонансных частот на соответствующий коэффициент, который обеспечивает нормализацию режимов испытаний. При этом амплитуду нагружения корректируют по формуле (4)

Ψ i 1 ≥ Ψ i 0 / η i ,                      (4)

где

Т _i । - амплитуда откорректированного нормированного воздействия на i- резонансной частоте (размерность в «g» используется для гармониче-

Частота, Гц

Рисунок 2. Резонансные частоты объекта испытаний

Том 8

Рисунок 3. Ширина участка амплитудно-частотного диапазона, подлежащего корректировке

ской синусоидальной вибрации и «g2/Гц» используется для ШСВ);

Ψ _{i 0} – амплитуда заданного нормированного воздействия на i -резонансной частоте;

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.

В результате определения получаем коэффициенты, необходимые для проведения корректировки амплитуды нагружения, которые графически отражены на рисунке 4.

В результате применения коэффициентов корректировки области нагружения получаем измененный профиль задающего воздействия испытательной системы, который показан на рисунке 5.

В результате одной из характеристик откорректированного профиля нормированного в зоне резонансных частот. При этом коэффициент наклона корректируемого нормированного воздействия принимают максимальной величины для применяемого испытательного оборудования. Это позволяет обеспечить корректное «вырезание» даже области с достаточно сильным резонансом. Однако итоговый профиль нагружения после корректировки должен исключать возможность возникновение переходных процессов в системе управления стендом при испытаниях на границах диапазонов. В противном случае возникающие в системе управления эффекты при переходных процессах могут увеличить задаваемый сигнал больше, чем корректирующий коэффициент «вырезания». Но данные параметры для каждой испытательной системы известны и должны быть учтены при проведении испытаний бортовой РЭА. Так, для большинства систем управления этот наклон находится в диапазоне

Рисунок 4. Коэффициенты корректировки области нагружения объекта испытаний

Техническая апробация метода проведения испытаний на вибрационные воздействия…

Рисунок 5. Откорректированный задающий профиль режима ШСВ

Заключение

В итоге разработанный метод позволил повысить качество проведения механических испытаний и снизить издержки за счет предотвращения механического разрушения элементов бортовой РЭА, а также более обоснованно использовать

коэффициенты безопасности при механических испытаниях бортовой РЭА КА, не противореча основополагающим стандартам на испытания. Применение метода на практике подтвердило его эффективность на этапе НЭО бортовой аппаратуры перспективных спутников среднего и тяжелого классов, таких как «Глонасс», «Экспресс» и других.