Выявление дефектов космических аппаратов в процессе испытаний на вибрационные и акустические воздействия в испытательной лаборатории

УДК 629.78.

В. И. Халиманович, А. К. Шатров, Е. А. Лысенко, М. Д. Евтифьев

ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ПРОЦЕССЕ ИСПЫТАНИЙ НА ВИБРАЦИОННЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ В ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Рассматривается способ выявления дефектов КА в процессе изготовления методами вибрационных и акустических воздействий.

В настоящее время для современных космических аппаратов (КА), конструкции которых состоят из сотовых панелей больших размеров, штанг антенн и т. д., экспериментальное подтверждение акустической и вибрационной прочности является особенно актуальным.

Для проведения испытаний на акустические и вибрационные воздействия были созданы уникальные установки, которые учитывают особенности конструкции КА и воздействия на них ракет-носителей (PH) и разгонных блоков (РБ) на участке выведения.

Наиболее универсальными установками являются электродинамические вибрационные стенды (ЭДВ) и ре-верберационная (акустическая) камера. Испытания на таких установках основаны на моделировании вибрационных и звуковых полей с заданными спектральными характеристиками, которые эквивалентны динамическим нагрузкам, действующим на КА в процессе работы двигательных установок PH и звуковых воздействий, которые возникают на старте и на участке выведения.

Испытания на вибростендах и реверберационных камерах (РК) являются испытаниями на подтверждение качества спроектированной конструкции КА.

Однако успешная отработка конструкции КА не является достаточно полным и однозначным критерием качества готового к эксплуатации КА, так как при изготовлении космического аппарата часто вносятся изменения в базовую технологию, отклонения от которой могут быть вызваны наличием изменений, требующих дополнительной экспериментальной отработки.

На качество готового к эксплуатации КА влияют следующие факторы:

- изменение качества материалов;

- изменение технологии изготовления элементной базы;

- непредвиденная замена элементной базы и датчи-ковой аппаратуры;

- комплектование дополнительной аппаратурой;

- незначительные ошибки при изготовлении;

- влияние человеческого фактора при сборке.

Произвести оценку влияния указанных факторов на

надежность КА после сборки без выполнения выходных испытаний практически невозможно.

Проверка механических, электрических параметров и функционирования дает достаточно надежный результат только при условии предварительного провоцирующего механического воздействия на готовый к эксплуатации КА.

Для положительного решения задачи необходимо, чтобы уровни механических воздействий были смягчены относительно испытательных режимов до эксплуатационного уровня, имелась возможность получения ин-

формации о фактическом состоянии объекта испытаний, осуществлялось сопоставление получаемых значений параметров с заранее заданными.

Способ механического воздействия на КА с помощью управляемого ЭДВ имеет следующие недостатки:

- конструкция КА обладает рядом собственных частот колебаний, плотность которых не позволяет найти приемлемое распределение амплитуд колебаний по конструкции;

- нагружение конструкции в областях резонансов ведет к снижению уровня возбуждения и, как следствие, к недогрузу приборных блоков и конструктивных элементов, где резонансы отсутствуют;

- нагружение конструкции в областях частот выше резонансных эффективно проявляется в зоне интерфейса объекта с ЭДВ, но практически не оказывает влияния на удаленные зоны.

Схема расположения КА на ЭДВ и возможное размещение виброизмерительных преобразователей (ВИП) на КА в процессе виброиспытаний приведена на рис. 1.

Рис. 1. Размещение ВИП на КА в процессе виброиспытаний на ЭДВ: 1 - антенный блок; 2 - ВИП; 3 - космический аппарат; 4 - устройство отделения; 5 - пневмоопоры;

6 - оснастка; 7 - шаровой шарнир;

8 - электродинамический вибровозбудитель

Математическая модель откликов на возбуждение синусоидальных колебаний для определения собственных частот, форм колебаний и коэффициентов демпфирования описывается уравнением равновесия свободной системы при вынужденных колебаниях

\м + [С ]х + [К ]х где [М] - матрица масс; х - вектор смещений с соответствующими х(г, к); [К] - матрица жесткостей; F- вектор амплитуд внешних возмущающих сил, составляющихДК); [С] - матрица коэффициентов вязкого сопротивления.

В настоящее время существуют алгоритмы, позволяющие достаточно корректно сформировать матрицы.

Пример формирования уровня входного воздействия для проведения виброиспытаний модуля полезной нагрузки (МПН) КА «Экспресс-АМ1» на воздействие гармонических вибраций, на основе анализа откликов элементов конструкции с применением методики вырезания входного сигнала на основных тонах колебаний конструкции и уровнях квалификации оборудования КА показан на рис. 2. Назначаемый входной уровень не превышает уровней квалификации конструкции, т. е. не может нанести повреждения объекту испытания. В то же время воздействующий уровень находится выше эксплуатационного уровня, найденного на основе совместного анализа РН и КА, позволяя утверждать, что дефекты, способные проявиться во время эксплуатации КА, обязательно проявятся в результате испытательного вибрационного воздействия.

В процессе виброиспытаний получается выходной сигнал, который показывает реальные отклики на гармонические воздействия в различных точках конструкции КА. Этот сигнал проходит первичную, а затем вторичную обработку, и в результате мы можем видеть графический вариант этого сигнала, например отклики на испытательный режим высокого уровня.

По шпангоутам в процессе испытаний КА «Экспресс-АМ11» по оси X осуществляется распределение высокого уровня колебательных процессов (рис. 3).

Сложность амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) конструкции КА не позволяет равномерно нагрузить всю конструкцию КА, в результате чего остаются зоны, не проверенные на вибрационную стойкость, и в них остаются не выявленные дефекты.

Приведем пример сопоставления откликов одной из точек конструкции при воздействии вибрации малых уровней до испытательного воздействия и после него (рис. 4). При сопоставлении видно, что графики откликов совпадают в пределах погрешностей измерений, свидетельствуя о сохранении жесткости, т. е. целостности области конструкции, в которой установлен ВИП.

С точки зрения равномерности нагружения всей конструкции КА, привлекательным является способ возбуждения колебаний акустическим полем со случайным спектром частот в реверберационной камере (РК). Спектральная плотность такого воздействия может быть задана заранее и контролироваться в процессе нагружения. В НПО ПМ для проведения акустических испытаний создана и работает РК объемом 660 м3 с максимальным уровнем звукового давления 152 дБ.

Расположение КА в реверберационной камере и расстановка контрольных микрофонов, а также датчиков акустического давления при акустических испытаниях дана в виде схемы (рис. 5).

Приведем зависимость спектральной плотности мощности звукового давления от частоты звука. Средний график, представляющий собой бъющуюся кривую, и есть фактический результат, получаемый с микрофонов (М1...М4), расположенных по схеме рис. 5 (рис. 6).

Спектральная плотность мощности акустического давления и вибрации по разным осям зависит от частоты в

Рис. 2. Входной уровень возбуждений для проведения виброиспытаний МПН КА «Экспресс-АМ1» на воздействие

гармонических вибраций по одной из осей

реальных испытаниях макета КА в реверберационной камере. Акустические воздействия на конструкцию КА распределяются равномерно (рис. 7). Распределение акустического давления по поверхности КА показано на рис. 8.

Учитывая все сказанное выше, для выявления пропущенных дефектов КА, готового к эксплуатации можно предложить следующий порядок проведения испытаний:

1. Экспериментально определяется АЧХ конструкции КА по откликам акселерометров (ВИП), расположенных на КА, под синусоидальным воздействием ЭДВ.

2. Проводится нагружение КА с помощью ЭДВ, а затем в РК последовательно низким, средним, высоким и вновь низким уровнями нагружения с контролем и анализом откликов ВИП. При необходимости режим корректируется, чтобы избежать перегрузки отдельных элементов.

в •• »• »♦ *0 90 «« >0 10 •• 1*0

Рис. 3. Распределение высокого уровня колебательных процессов по шпангоутам в процессе испытаний

КА «Экспресс-АМ11» по оси X

Рис. 4. Сопоставление откликов одной из точек конструкции при воздействии вибрации малых уровней до испытательного воздействия и после него

- су ммарный урове нь зву ко іого

= Ц ,ч \ \ Іі-Ч

\ \ \ ,\ , \

\ N тЬ

^ 1 1

Рис. 5. Расположение КА и расстановка контрольных микрофонов (М1...М4) и датчиков акустического давления А1 при испытании КА в РК: 1 - реверберационная камера; 2 - антенный блок; 3 - блок солнечных батарей; 4 - устройство отделения; 5 - тележка

Рис. 6. Зависимость уровня звукового давления от октавной частоты звука

Рис. 7. График зависимости спектральной плотности мощности акустического давления и вибрации по разным осям от частоты в реальных испытаниях макета КА в РК

Рис. 8. Модель распределения акустического давления по поверхности КА

3. Сопоставляются отклики ВИП на малых уровнях, с целью определения возможных зон повреждений.

4. Повторно определяется АЧХ по методу синусоидального зондирующего воздействия (при необходимости).

5. Сопоставляются результаты всех воздействий с целью определения зон недогрузки и возможной потери жесткости, определения возможных мест повреждений.

6. Принимаются решения о локальном возбуждении недогруженных зон путем акустического воздействия прямым излучением.

7. КА отправляется на проверку функционирования.

Предлагаемый технологический процесс позволяет

путем вибрационного возбуждения всех зон конструк-

ции управляемыми воздействиями ЭДВ и РК спровоцировать скрытые дефекты, обнаружить их и дать оценку надежности готового к эксплуатации КА.

Таким образом, для реализации изложенного выше технологического процесса необходимо иметь:

- нормы режимов безопасных зондирующих воздействий;

- нормы воздействий акустическим давлением высокого уровня;

- анализ экспериментальных данных прогнозов откликов и формирования безопасных режимов нагружения.

Также следует ввести критерий оценки сопоставляемых результатов обработки экспериментальных данных с целью определения наличия дефектов; подробно изучить поведение возбуждаемой конструкции при одновременном воздействии локального и общего акустического возбуждения в РК.

V. I. Khalimanovitch, A. K. Shatrov, E. A. Lysenko, M. D. Evtifjev

DETECTION OF DEFECTS IN SPACECRAFTS DURING VIBRATION/ACOUSTIC TESTS UNDER LABORATORY ENVIRONMENT

It is offered a way to improve detection of defects in spacecrafts during the fabrication phase with vibration/acoustic test procedures.