СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ АППАРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD FOR TESTING OF EQUIPMENT FOR MECHANICAL EFFECTS

Данное изобретение относится к области испытаний аппаратуры на механические воздействия и может быть использовано при отработочных и приемных испытаниях аппаратуры для авиационной, ракетной и космической техники.
Линейные (квазистатические) и ударные воздействия являются одними из видов механических нагрузок, которым подвергается космический аппарат (КА) ракеты-носители на участке выведения (например, отделение ступеней).
Создание линейных и ударных воздействий при наземной отработке является достаточно сложной проблемой. При этом ударные и линейные нагрузки реализуются последовательно: ударные испытания проводятся, как правило, на специальных импульсных (ударных) стендах, а линейные проводятся на специальных установках (центрифугах) в горизонтальной плоскости радиально направленными ускорениями (Испытательная техника. Справочник в 2-х т. / Под ред. Клюева В.В., т.2. -М.: Машиностроение, 1982, стр.8, 287-288, 422-425) - прототип.
Существующие методики проведения испытаний обладают рядом недостатков. Испытания на линейные и вибрационные нагрузки предполагают последовательное их проведение, т.к. проводятся они на различном оборудовании, что существенно увеличивает время испытаний, а наличие двух типов испытательного оборудования значительно удорожают и сами испытания. В то же время воздействия на КА носит комплексный характер (например, линейные и ударные нагрузки действуют одновременно). Кроме того, испытания проводятся на нормированных режимах, являющихся усредненными по некоторому классу КА (при этом сами нагрузки могут быть и ниже реально существующих на КА).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более качественно проводить испытания аппаратуры космических аппаратов на ударные и линейные нагрузки.
Решение этой задачи достигается тем, что одновременно с испытаниями аппаратуры на воздействие линейных нагрузок проводят ударное нагружение аппаратуры вдоль оси приложения линейных нагрузок, а сами ударные испытания проводят по методу ударных спектров ускорений срабатыванием пиротехнических устройств, причем требуемый ударный спектр ускорений от пиротехнических устройств формируют при их автономных испытаниях на ударных стендах с учетом передаточных функций оснастки для линейных испытаний.
Суть заявляемого изобретения поясняется следующим образом.
При старте и на участке выведения конструкция полезной нагрузки (ПН), приборы и оборудование испытывают различные механические воздействия. Большинство из них носит комбинированный характер. Например, для некоторых ракет отделение ступеней происходит в момент действия на полезную нагрузку максимальных линейных ускорений. Разделение ступеней большинства ракет происходит путем разрыва связей с использованием различных пиротехнических устройств (пирозамков, разрывных болтов, детонирующих удлиненных зарядов и т.д.). При этом ПН (например, КА) испытывает большие ударные воздействия, достигающие 3-5 тыс.g в зависимости от типа ракеты. Линейные и ударные воздействия передаются на аппаратуру с учетом динамических характеристик КА и ракеты. Для некоторого оборудования, например для баков с топливом, именно комбинированное воздействие может быть критичным. Давление в топливных баках значительно увеличивается за счет линейного ускорения (которое может достигать 20 g), а подрыв пиротехнических устройств может дополнительно создать в топливе достаточно мощную ударную волну. При этом возможно разрушение клапанов и топливной аппаратуры.
Задание ударных воздействий в настоящее время принято проводить в форме ударных спектров ускорений (УСУ), когда не так важна природа воздействия, как реакция, которую такое воздействие вызывает. Один из типовых режимов ударных воздействий приведен в таблице
Частота, Гц
Амплитуда ударного спектра ускорений, g
100
25
1000
500
4000
500
Проблема проведения ударных испытаний для аппаратуры КА состоит в создании малогабаритного регулируемого источника высокоинтенсивных ударных воздействий. Эта проблема решается, если для создания необходимого УСУ использовать разрывные болты типа 8×54 вместе с амортизационным стержнем или устройства с пиропатронами (такие устройства имеют большую длительность и меньшую амплитуду ударного воздействия по сравнению с разрывными болтами). Причем испытания по формированию требуемого УСУ лучше всего проводить на специализированных ударных стендах.
Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан стенд для испытаний на ударные воздействия, который состоит из устройства для ударного нагружения 1, двух волноводов 2. Источником ударного воздействия является разрывной болт 8×54 1. Между источником ударного воздействия 1 и волноводом 2 установлен набор вкладышей 3 с различной акустической податливостью, выполненных в виде стаканов на ножке с резьбой. Набор вкладышей 3 состоит из слоев следующих различных материалов. На фиг.2 более подробно изображен набор вкладышей, сформированный в виде амортизационного стержня. Варьируя материалами вкладышей, типом пиротехнического устройства, формируют необходимый ударный спектр. При необходимости соединения набора вкладышей 3 с объектом ударного воздействия через какие-либо переходные устройства их при автономной отработке устанавливают между крайним вкладышем 4 и волноводом 2. Контроль создаваемого ударного ускорения (и, соответственно, УСУ) выполняется с помощью акселерометра 5.
Т.е. в процессе проведения испытаний на линейные нагрузки можно провести срабатывание пироустройств, которые и создадут требуемый ударный спектр ускорений (с учетом его трансформации при переходе через оснастку для линейных испытаний к местам крепления аппаратуры). Ввиду его небольших размеров пироустройство легко соединить с оснасткой объекта испытаний (аппаратурой). Так как рядом с центрифугой всегда имеется набор типовых источников напряжения, то подрыв пироустройств также не вызывает затруднений. Сами же пиротехнические устройства к линейным воздействиям нечувствительны. Кроме того, ударное воздействие будет выполняться тем же по физической природе источником ударных воздействий, что испытывают ракеты и КА при выведении (и, соответственно, их аппаратура).
Процедура предлагаемого способа проведения испытаний поясняется чертежами фиг.1-6.
На фиг.1, 2 показан типовой стенд для ударных испытаний.
На фиг.3-5 показана центрифуга 6 с оснасткой 7 для крепления испытуемой аппаратуры 8 и противовесом 9. К оснастке 7 крепят амортизационные стержни 10 с разрывными болтами 8×54 1. Контроль величины ударного воздействия (по трем осям) выполняют с помощью акселерометров 11.
На фиг.6 показаны типовые ударные спектры ускорений (требуемый и создаваемый в процессе испытаний)
Пример практического исполнения
Испытания по рассмотренной методике проводились на инженерном макете одного из приборов КА негерметичного исполнения (масса прибора ~12 кг, 6 точек крепления). Испытания на линейные нагрузки проводились на центрифуге С50. На фиг.3 показана центрифуга С506 с оснасткой 7 для крепления испытуемой аппаратуры 8 и противовесом 9. К оснастке 7 крепят амортизационные стержни 10 с разрывными болтами 8X541. Контроль величины ударного воздействия (по трем осям) выполняют с помощью акселерометров 11. Крепление прибора к оснастке выполнено через штатные точки крепления. Стыковку амортизационного стержня 10 с оснасткой 7 выполняют с помощью переходника 12 и болта 13. Переходники выполнены из стали. Так как крепление амортизационных стержней жесткое (фиг.5), то ударное воздействие (УСУ) при переходе через систему "переходник-плиты" приводит к изменению передаточной функции, отмечено только в области частот выше 1000 Гц. Отличия от ранее полученных результатов, когда имитировался аналогичный ударный спектр ускорений (таблица), находились в пределах погрешности измерений и обработки. Установка на площадку центрифуги дополнительной оснастки приводит к существенным изменениям передаточных функций. При проведении испытаний динамического макета прибора после выхода на режим испытаний (уровень 15g) был подорван разрывной болт 1, установленный в амортизационный стержень 10. При подрыве создавался ударный спектр ускорений, приведенный в таблице. Регистрация ускорений в районе установки прибора на оснастке выполнялась с помощью акселерометров АВС052. Достижение необходимого уровня линейных ускорений определялось штатными средствами центрифуги.
Ударные воздействия привели к значительному изменению (увеличению) нагрузки на аппаратуру при линейных воздействиях. На фиг.6 в качестве примера показаны УСУ на одной из лапок крепления прибора (требуемый "а" и зарегистрированный "b"). На графике "а" нет статической составляющей нагрузки, т.к. акселерометры регистрируют только ее динамическую часть.
Таким образом, использование комбинированного метода испытаний (одновременное линейное и ударное воздействие) позволяет более качественно проводить испытания на механические воздействия, и исключить в дальнейшем отказ приборов и оборудования в составе КА.