СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD OF TESTING MECHANICAL EFFECTS ON SPACECRAFT EQUIPMENT

При натурной эксплуатации космический аппарат (КА) подвергается различного вида внешним воздействующим факторам: механическим, климатическим, ионизационному излучению и т.д. К механическим воздействиям относят: статические, вибрационные, линейные, ударные нагрузки и акустический шум. Изделия, предназначенные для функционирования в условиях воздействия механических нагрузок, должны быть прочными и устойчивыми при воздействии этих факторов. Эта способность проверяется в процессе проведения испытаний на механические воздействия.
Способы проведения вибрационных испытаний достаточно подробно излагаются в различной литературе. Например, вибрационные испытания по методу качающейся частоты, когда частоту вибрации плавно изменяют в заданном диапазоне частот от нижней границы частоты к верхней и обратно при постоянстве заданных параметров вибрации в течение определенного времени. Испытания на линейные нагрузки проводятся на специальных установках (центрифугах), создающие в горизонтальной плоскости радиально направленные ускорения (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 носят комплексный характер (например, линейные и вибрационные 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 вибрационные и линейные нагрузки.
Решение этой задачи достигается тем, что испытания аппаратуры для космического аппарата проводят на комбинированных режимах, при этом сначала на динамически подобном макете космического аппарата определяют амплитудно-частотные характеристики космического аппарата в местах крепления аппаратуры, затем выполняют корректировку задаваемых нормированных вибрационных режимов по формуле
где Ai(ω) - комбинированный испытательный вибрационный режим для аппаратуры в "i" точке космического аппарата;
iHop
j
A(ω) - формируемый нормированный вибрационный режим испытаний для аппаратуры в "i" точке космического аппарата в "j" частотном диапазоне;
- заданный нормированный вибрационный режим испытаний для аппаратуры в "i" точке космического аппарата в "j" частотном диапазоне;
kc
j
A(ω) - заданный нормированный режим для линейных испытаний аппаратуры в "i" точке космического аппарата в "j" частотном диапазоне;
0
j
A(ω) - заданный нормированный вибрационный режим испытаний для космического аппарата в интерфейсе с ракетой-носителем в "j" частотном диапазоне;
iПер
j
k(ω) - коэффициент передачи по вибрационным воздействиям от интерфейса с ракетой-носителем в "j" частотном диапазоне;
N - количество частотных диапазонов,
таким образом, что сформированные комбинированные режимы вибрационных испытаний по методу качающейся частоты перекрывают режимы испытаний на линейные нагрузки в области резонансных частот и больше или равны им в области нерезонансных частот, после чего проводят вибрационные испытания аппаратуры на сформированных комбинированных режимах по методу качающейся частоты.
Суть заявляемого изобретения может быть пояснена следующим образом.
При старте и на участке выведения конструкция КА, его приборы и оборудование испытывают различные механические воздействия, в том числе вибрационные и линейные нагрузки. Оборудование КА должно воспринимать эти воздействия без повреждений. В то же время требования к оборудованию КА формируются на этапе, когда собственно КА еще не существует. Для формирования требований к аппаратуре новых КА используется, как правило, нормативная документация, так как разработка аппаратуры и конструкции выполняется параллельно (иначе процесс разработки затянется на многие годы).
Для получения более достоверной информации о нагрузках вначале выполняется определение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) КА - аналога в местах установки аппаратуры. Как правило, аналог динамически близок к вновь разрабатываемому КА, поэтому и информация о коэффициентах передачи по КА также будет близка к реальной.
В результате получим набор исходной информации:
kc
1. A(ω) - заданный нормированный режим для линейных испытаний аппаратуры в "i" точке космического аппарата. Этот режим наиболее близок к реально действующим значениям (даже взятый из нормативной документации), т.к. определяется в первую очередь массой всего КА и тягой двигателей ракеты. Во всем частотном диапазоне он имеет постоянную амплитуду ускорения.
2.  - заданный нормированный вибрационный режим испытаний для аппаратуры в "i" точке космического аппарата в "j" частотном диапазоне. Этот режим является усредненным и может существенно отличаться от реально действующих нагрузок на аппаратуру конкретного аппарата.
iПер
j
0
j
3. k(ω) - коэффициенты передачи по вибрационным воздействиям от интерфейса с ракетой-носителем в "j" частотном диапазоне. Вместе с A(ω) (заданным нормированным вибрационным режимом испытаний для космического аппарата в интерфейсе с ракетой-носителем в "j" частотном диапазоне) можно получить режимы нагружения в точках установки аппаратуры.
Вот из такого набора исходных данных необходимо сформировать испытательный режим для аппаратуры. Предлагаемый алгоритм заключается в выборе максимальных режимов из набора представленных нагрузок. Такая оценка будет выполнена «сверху», т.е. реальные воздействия не могут превысить сформированный испытательный режим. Кроме того, такой режим будет достаточно близким к реальному воздействию на КА (нормированными остаются нагрузки только в областях нерезонансных частот), а сформированный комбинированный режим испытаний (по вибрации и линейным воздействиям) позволяет проводить испытания на одном оборудовании (вибростенде).
Пример практического исполнения
В процессе модернизации одного из КА серии Глонасс возникла необходимость установки нового навигационного прибора достаточно большой массы и габаритов, изменяющего динамические характеристики КА. Для формирования режимов автономной отработки прибора, расположенного на цилиндрической обечайке системы отделения, было выполнено формирование режимов испытаний согласно рассмотренной выше процедуре. На фиг.1 показана схема вибрационных испытаний КА - 1 по определению АЧХ в местах крепления прибора - 2. В точках крепления установлены датчики ускорений (акселерометры ABC 134) - 3 (по 3 датчика в каждой из 4 точек крепления). Через переходник - 4 КА стыкуется с вибростендом ВЭДС-10000Т - 5. Контроль задаваемого режима испытаний КА осуществляют с помощью акселерометров - 6, установленных в плоскости стыка КА/оснастка.
На фиг.2 для частотного диапазона 100-400 Гц показаны в качестве примера следующие графики:
- а - заданный нормированный режим для линейных испытаний аппаратуры,
- b - заданный нормированный вибрационный режим испытаний,
- с - формируемый нормированный вибрационный режим испытаний для аппаратуры по результатам учета АЧХ КА,
- d - заданный нормированный вибрационный режим испытаний для космического аппарата в интерфейсе с ракетой-носителем.
Формула (*) по этим данным позволила сформировать следующий режим автономных испытаний прибора в частотном диапазоне 100-400 Гц, который и был передан разработчику прибора:
100-270 Гц - 3 g;
270-290 Гц - 4,5 g;
290-400 Гц - от 3 g до 3,7 g (при линейном изменении ускорений по амплитуде и частоте).
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.