СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD OF TESTING SPACECRAFT UNDER VIBRO-ACOUSTIC EFFECT

Виброакустические (вибрационные и акустические) воздействия являются одним из видов механических нагрузок, которым подвергается космический аппарат (КА) на участке выведения.
В настоящее время технология вибрационных испытаний уже сформировалась. Создание же акустических воздействий при наземной отработке остается достаточно сложной проблемой и может быть реализовано в основном следующими путями: наземные натурные испытания на открытом стенде, в закрытых боксах, в акустических камерах.
Наиболее широкое распространение получили испытания в акустических камерах, когда испытания проводят с одновременным воздействием на изделие заданного равномерного акустического давления и определенного спектра частот. При акустических испытаниях на изделиях определяют резонансные частоты, на которых амплитуда колебаний точек крепления максимальна. В процессе испытаний производится регистрация параметров вибрации (Испытательная техника. Справочник в 2-х томах под редакцией В.В.Клюева. T.1 стр.444, 449. М.: Машиностроение, 1982 г.).
Разделение виброакустических воздействий на составляющие представляет серьезную методологическую проблему. Модели такого разделения содержат ряд существенных упрощений физики воздействия на КА при проведении раздельных испытаний. К недостаткам такого способа испытаний относится то, что проводятся испытания всего КА без предварительных испытаний на акустические воздействия составных элементов. Кроме того, при проведении акустических испытаний КА возникающие на элементах КА вибрации не могут быть разделены по природе их возникновения (реакция непосредственно на акустическое воздействие самого элемента, либо передача вибрации от других элементов при акустическом воздействии). Это влечет за собой неправильную процедуру отработки составных элементов КА (например, необоснованная замена акустических испытаний вибрационными и т.д.).
Частично эти недостатки устранены в патенте РФ №2305265 - прототип. Предлагаемый способ испытаний КА на механические воздействия заключается в том, что все акустически чувствительные элементы КА проходят в несколько этапов: автономные испытания на воздействие акустического шума путем задания различных уровней нагружения. Причем места положения контрольных точек определяют заранее, при этом предварительно акустически чувствительные элементы проходят вибрационное нагружение, по результатам которого получают передаточные функции от точек крепления выше названных элементов к контрольным точкам. После чего проводят испытания КА на воздействие акустического шума с уровнями, соответствующими каждому этапу нагружения акустически чувствительных элементов, причем места положения контрольных точек на акустически чувствительных элементах соответствуют их положению при автономных испытаниях. При этом по результатам каждого из этапов испытаний КА проводится сопоставление реакции акустически чувствительных элементов на воздействие акустического шума при автономных испытаниях и испытаниях в составе КА и делается прогноз на результаты последующих нагружений по формуле:
где
i
S(g, ω) - спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при акустических испытаниях КА;
- спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при автономных акустических испытаниях;
ik
G(g, ω) - передаточная функция от точки i к точке k при автономных вибрационных испытаниях;
- спектральная плотность мощности виброускорения в точке k при вибрационном нагружений,
g - ускорение;
ω - круговая частота,
при этом режимы нагружения на различных этапах испытаний на воздействие акустического шума отличаются не менее чем на погрешность задания режимов, а о стойкости КА и его элементов к виброакустическим воздействиям судят по отсутствию повреждений и сохранению работоспособности.
В тоже время и у этого способа испытаний имеются существенные недостатки. Для вибрационного нагружения остаются только автономные испытания, при которых создать реальные граничные условия для акустически чувствительных элементов (АЧЭ) практически невозможно. Исключается в этом случае и учет возможных нелинейностей от вибрационных составляющих. Погрешность прогноза по формуле (*) может быть значительной особенно для АЧЭ достаточно большой жесткости, когда вклад вибрационных составляющих достаточно велик.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более качественно проводить испытания космических аппаратов на виброакустические воздействия.
Решение этой задачи достигается тем, что передаточные функции по акустически чувствительному оборудованию дополнительно получают при вибрационных испытаниях космического аппарата перед проведением акустических испытаний, причем вибрационные испытания проводят поэтапно, начиная с минимальных уровней воздействий, определяемых возможностями испытательного оборудования, до максимальных значений, определяемых допустимыми уровнями воздействия на оборудование, а прогноз на результаты последующих нагружений делают с учетом поправочных коэффициентов, являющихся отношением передаточных функций при автономных вибрационных испытаниях акустически чувствительного оборудования и его испытания в составе космического аппарата, по формуле:
где:
i
S(g, ω) - спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при акустических испытаниях КА;
- спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при автономных акустических испытаниях;
ik
G(g, ω) - передаточная функция от точки k к точке i при автономных вибрационных испытаниях;
- спектральная плотность мощности виброускорения в точке k (от вибрации КА) при акустических испытаниях КА,
g - ускорение;
ω - круговая частота,
- поправочные коэффициенты, показывающие отношение передаточных функций от точки k к точке i на испытаниях в составе КА и автономных испытаниях при вибрационных воздействиях на η уровне.
- передаточные функции от точки k к точке i на испытаниях в составе КА при вибрационных воздействиях на η уровне.
- передаточные функции от точки k к точке i на автономных испытаниях при вибрационных воздействиях на η уровне.
"η" - испытательный уровень (целочисленный индекс, изменяющийся от 1 до N,
где N - количество уровней нагружения).
Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом.
2
При старте и на участке выведения конструкция КА его приборы и оборудование испытывают максимальные виброакустические нагрузки (акустические и вибрационные, причиной возникновения которых служит акустика). Максимальным воздействиям подвергаются АЧЭ конструкции. АЧЭ - это элементы конструкции и приборы, которые имеют максимальную реакцию на акустическое воздействие (отношение массы к поверхности которых, как правило, не превышает величин порядка 0,2-0,3 кг/м). В результате принимаемых конструктивных мер (заливка приборов компаундами, малая поверхность и массивные кожухи приборов и т.п.) аппаратура, имеющая малую поверхность, обладает высокой степенью внутреннего демпфирования и становится нечувствительной к воздействию акустического шума (АШ). В этом случае может быть принято решение о нецелесообразности проведения автономных испытаний на воздействие АШ. В тоже время вибрационные воздействия от АШ, передаваемые по конструкции КА к местам крепления приборов, создают дополнительное вибрационное нагружение приборов. Поэтому до проведения испытаний КА на АШ необходимо принять решение о необходимом объеме автономных испытаний оборудования.
Очевидно, что АЧЭ должны проходить автономные испытания на воздействие АШ, что позволит применять их в дальнейшем при испытаниях КА без опасности повреждения. При этом испытания необходимо проводить поэтапно, с постепенным увеличением нагрузки, что позволит (например, в случае поломки) установить безопасные уровни для испытуемого оборудования, регистрируя при этом уровни вибрации в точках крепления АЧЭ. Это необходимо делать для того, чтобы исключить влияние самого АЧЭ на уровень вибрации в точке крепления. Необходимо также установить (если таковые имеются) нелинейности между нагрузкой и реакцией оборудования при вибрационном воздействии. Критерием такого анализа может служить постоянство передаточной функции (ПФ) между точками исследуемого оборудования при изменении нагрузки.
где
ik
G(g, ω) - передаточная функция от точки k к точке i при автономных вибрационных испытаниях;
- спектральная плотность мощности виброускорения в точке k при вибрационном нагружении,
- спектральная плотность мощности виброускорения в точке i при вибрационном нагружении.
Аналогичный вид имеют и передаточные функции .
Проведение вибрационных испытаний (как автономных, так и в составе КА) и получение передаточных функций по результатам таких испытаний позволит по результатам сравнения двух видов передаточных функций делать заключение о реальной чувствительности оборудования к воздействию акустического шума. Очевидно, что при больших значениях передаточных функций по АШ автономные акустические испытания для такого оборудования обязательны. При максимальных значениях ПФ по вибрационным воздействиям обязательными являются вибрационные испытания. При близких значениях испытания должны проводиться на те и другие воздействия (в этом случае оборудование должно относиться к группе акустически чувствительного). При существенном отличии коэффициента  от 1 вибрационные испытания в составе КА с разными уровнями воздействий являются обязательными. Это, как правило, можно установить уже на этапе квалификационных (отработочных) испытаний, после чего уже формировать необходимый объем испытаний штатных КА.
Т.е. при проведении испытаний КА необходимо учитывать все виды реакции конкретного оборудования как на АШ, так и на вибрационное воздействие, передаваемое по конструкции КА от АШ. Тогда прогноз нагружения оборудования в конкретной точке КА будет выполняться по формуле (*).
Так как при увеличении нагрузки демпфирующие свойства конструкции КА возрастают, то прогноз вибрационного нагружения элементов конструкции и оборудования будет проводиться «сверху» (при сильной нелинейности) или же иметь достаточно близкое к прогнозу значение при незначительной нелинейности. Такой подход позволяет проводить испытания КА и его оборудования без опасности повреждения, когда имеются результаты автономных испытаний составных частей КА. Это особенно важно при проведении приемных испытаний КА на АШ, когда превышение режимов автономных испытаний недопустимо, т.к. это может привести к повреждению оборудования КА.
ik
ik
η
Проведение вибрационных испытаний КА до проведения испытаний на воздействие АШ позволяет учесть влияние нелинейностей, свойственных такой сложной конструкции как КА. Так как нелинейности могут значительно искажать передаточную функцию G(g, ω), то этот эффект можно исключить введением поправочных коэффициентов ζ , в результате чего формула (*) примет вид (**).
Следует также отметить, что исключение вибрационной составляющей от автономных акустических испытаний при испытании КА на АШ, также как и сложение спектральных плотностей виброускорений (СПМ), не является тривиальной процедурой (нелинейности СПМ, случайный характер воздействия и т.д.). Обработка результатов измерений проводится с помощью пакета Matlab, для чего были дописаны на языке Simulinc специальные макросы. Но эти процедуры относятся к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматриваются.
Пример практического исполнения
3
2
Испытания по рассмотренной методике проводились на инженерном макете одного из КА класса «Экспресс AM». Вибрационные испытания проводились на стенде ВЭДС-10000, а акустические в реверберационной камере РК660 объемом 660 м. В качестве примера рассмотрим испытания радиатора системы терморегулирования (СТР). Радиатор СТР имеет отношение массы к своей поверхности ~0,18 кг/м и является типовым АЧЭ. В качестве контрольных точек рассмотрим 2 точки: в месте крепления радиатора к гермоконтейнеру и точку крепления двигательного блока (ДБ) к радиатору СТР.
2
Испытания на воздействие АШ проводились на трех уровнях с полным среднеквадратическим уровнем звукового давления в 138, 142 и 146 дБ (погрешность задания режима для спектральной плотности акустического давления не превышала ±3 дБ во всем диапазоне частот). Вибрационные воздействия также проводились в три уровня с максимальными значениями СПМ в диапазоне 50-1000 Гц в 0,05; 0,1; и 0,2 g/Гц. Нарастание и спад нагрузки составлял ±6 дБ до 50 и после 1000 Гц. Разброс значений передаточной функции находился в пределах допустимой погрешности в ±3 дБ для СПМ.
На фиг.1 показаны передаточные функции между точками крепления радиатора СТР и ДБ, полученные при автономных вибрационных испытаниях радиатора - 1 и при виброиспытаниях в составе КА. На фиг.2 показаны: 3 - прогноз, выполненный по формуле (*), 4 - прогноз, выполненный по формуле (**), 5 - результаты измерений при акустических испытаниях КА на воздействие АШ. Как видно из чертежей, учет результатов виброиспытаний в составе КА позволил существенно улучшить прогноз результатов испытаний (следует обратить внимание на то, что результаты представлены в логарифмическом масштабе) в первую очередь на резонансных частотах.
После проведения испытаний КА был проведен внешний осмотр, а затем и проверка функционирования радиатора. Повреждений не выявлено.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.