СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF TESTING IMPACT EFFECTS ON SPACECRAFT

Данное изобретение относится к методам испытаний конструкций на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях космических аппаратов (КА) на ударные воздействия.
Современные КА содержат в себе большое количество конструктивных элементов, а также приборы и аппаратуру, чувствительные к кратковременным импульсным нагрузкам высокой интенсивности.
На сегодняшний день существуют различные методы испытаний на ударные воздействия. С помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами и т.д. Методы испытаний могут быть по амплитуде синуса или по ударному спектру ускорений, когда не важно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн.2 «Испытательная техника кн.1. М.: Машиностроение, 1982, стр.334-335). При таких испытаниях не всегда нагружение объекта испытаний будет проведено в том частотном диапазоне, в котором будет проводиться нагружение штатного аппарата при эксплуатации (один и тот же ударный спектр ускорений имеет множество различных ударных воздействий).
Самый простой способ ударных испытаний - это срабатывание штатных устройств, от которых будет нагружаться оборудование в составе изделия. В результате обработки получают ударные спектры в местах установки оборудования (Круглов Ю.А. Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1986, стр.148-149).
Наиболее близким к заявляемому является «Способ испытаний на ударные воздействия космического аппарата» по патенту РФ №2284490, заключающийся в нагружении его натурным срабатыванием пиросредств и получении ударных спектров в местах установки оборудования. Причем до проведения испытаний КА срабатыванием штатных пиросредств получают их ударный спектр ускорений, далее осуществляют нагружение инженерного макета космического аппарата устройством-аналогом штатного пиросредства, близким штатному пиросредству. При этом формируют ударный спектр ускорений, который перекрывает ударный спектр ускорений штатного пиросредства. Затем получают ударный спектр ускорений от срабатывания аналога в точках контроля инженерного макета, находят отношение ударного спектра ускорений в точке срабатывания аналога к ударному спектру ускорений штатного пиросредства и с учетом полученных зависимостей определяют уровень нагружения в точках контроля на космическом аппарате.
К недостаткам такого способа нужно отнести следующие.
Согласно существующей (как отечественной, так и зарубежной) нормативной документации при отработке КА проводятся отработочные (квалификационные) испытания, во время которых КА подвергается различным повышенным воздействиям (в том числе и ударным) относительно условий эксплуатации. В то же время при приемных испытаниях требуется создание ударных воздействий штатными пиросредствами. Это создает серьезные проблемы, когда, например, штатное пиросредство одноразовое и после его разрушения требуется перемонтаж систем, соединяемых таким пиросредством.
Кроме того, разрушение конструкций происходит, в первую очередь, при достижении в ней критических напряжений, связанных с величиной воздействующей силы, и подбор воздействия только по значениям ударного спектра ускорений не всегда приемлем, т.к. один и тот же ударный спектр ускорений имеет множество исходных функций, его порождающих. Т.е. равенство только ударных спектров ускорений разных ударных воздействий не обеспечивает их идентичность.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, что позволит более качественно проводить испытания на ударные воздействия высокой интенсивности.
Решение этой задачи достигается тем, что до проведения ударных испытаний космического аппарата дополнительно получают ударный импульс штатных пиросредств и пиросредств-аналогов, причем ударный спектр ускорений для них получают в контрольной точке ударного стенда, после чего из пиросредств-аналогов по формуле
где:
Δ - минимальное значение функции F, по которому выбирается пиросредство;
F - функция, связывающая ударный импульс и ударный спектр ускорений;
i
ω- значение частоты в ′i" точке ударного спектра ускорений;
- значение ударного спектра ускорений пиросредства-аналога в ′i" точке спектра;
- значение ударного спектра ускорений штатного пиросредства в ′i" точке спектра;
- норма по значениям ударного спектра ускорений;
М - количество точек отсчета по ударному спектру;
i
η - весовой коэффициент в ′i" точке ударного спектра;
j
t - значение времени в ′j" точке ударного импульса;
- значение ударного импульса пиросредства-аналога в ′j" точке по времени;
- значение ударного импульса штатного пиросредства в ′j" точке по времени;
- норма по значениям ударного импульса ускорений;
N - количество точек отсчета по времени для ударного импульса;
j
θ - весовой коэффициент в ′j" точке по времени для ударного импульса,
выбирают пиросредство, имеющее минимальное отличие ударного импульса и ударного спектра ускорений от ударного импульса и ударного спектра ускорений штатного пиросредства, после чего с помощью выбранного пиросредства-аналога проводят ударные испытания космического аппарата. Дополнительный эффект получают, если амплитуда хотя бы одного из параметров (ударного спектра ускорений или ударного импульса) пиросредства-аналога превышает максимальную амплитуду штатного пиросредства.
Суть заявленного решения может быть пояснена следующим образом. Для создания необходимого ударного воздействия используется пиросредство-аналог, которое выбирается из набора имеющихся в наличии по формуле (*). Предложенная формула построена на основании критерия наименьших квадратов. Целевая функция F будет равна "0", когда совпадут во всех точках значения ударного спектра ускорений и ударного импульса. Необходимость учета ударного импульса (зависимость силы ударного воздействия от времени) помимо ударного спектра ускорений объясняется тем, что повреждения в конструкции возникают при превышении уровней допустимых напряжений. Поэтому ударное воздействие от аналога штатного пиросредства, содержащее информацию о величине и виде силового воздействия, обеспечивает более качественное проведение ударных испытаний. Деление на квадраты норм значений ударного спектра ускорений и ударного импульса позволяют привести квадраты разностей этих величин к безразмерным значениям, а деление на количество отсчетов по каждому из параметров позволяет суммировать безразмерное среднеквадратическое отклонение параметров. Введение весовых коэффициентов дает возможность увеличить значимость отклонений в необходимых частотных и временных диапазонах (например, в областях резонансов или максимальных значений импульса). При этом превышение амплитуды хотя бы одного из параметров (ударного спектра ускорений или ударного импульса) пиросредства-аналога максимальной амплитуды штатного пиросредства обеспечивает нагружение объекта испытаний с максимальными уровнями (нагружение в необходимом частотном диапазоне или на отрезке времени осуществляется "сверху").
Очевидно, что наилучшим будет то пиросредство-аналог, величина Δ которого имеет минимальное значение. При значении Δ, близком "О", пиросредство-аналог и штатное пиросредство будут фактически идентичны как устройства для создания ударных воздействий.
Пример практического исполнения
Для проведения ударных испытаний нового прибора, вводимого в состав КА Глонасс, было принято решение испытания проводить натурным срабатыванием пиросредств системы отделения КА. Так как готовых штатных пиросредств КА Глонасс не было, срок их изготовления составляет (с учетом поставок комплектующих) несколько месяцев, а их стоимость достаточно высока, то испытания проводились с использованием пиросредств-аналогов. В распоряжении имелся ряд пирозамков, пирочек и два типа разрывных болтов (8×54 и 8×55), а также набор специальных амортизационных стержней с этими болтами. По всем пиросредствам ранее были уже проведены испытания по определению вида ударного импульса и ударного спектра ускорений, а затем в соответствии с предложенной методикой выбран источник ударного нагружения.
I
2
1
2
2
1
Испытания проводились на специализированном ударном стенде. На фиг.1 показан стенд для проведения ударных испытаний при испытаниях разрывного болта с набором дополнительных вкладышей. Установка (стенд СПИ 6.3480-0) состоит из тонкостенных волноводов 2, пиротехнического устройства 1, набора дополнительных вкладышей 3 (фиг.2), выполненного в виде многослойного стержня с вкладышами из различных материалов. Регистрация ударных воздействий для построения ударного спектра проводилась в точке 4 с помощью акселерометра АВС052. На фиг.3 показаны ударные импульсы пирозамков КА Глонасс (график I) и разрывных болтов 8×54 с набором дополнительных вкладышей (график I), а на фиг.4 ударные спектры ускорений пирозамков КА Глонасс (график S) и разрывных болтов 8×54 с набором дополнительных вкладышей (график S). Этот набор показал наилучшие результаты из всех имеющихся пиросредств. Кроме того, максимальные значения импульса силы для пиросредства-аналога (график S на фиг.3) больше максимальных значений импульса силы замка КА Глонасс (график S).
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.