СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD OF SPACE VEHICLE TESTS FOR MECHANICAL ACTION

Изобретение относится к области испытаний космических аппаратов на механические воздействия и может быть использовано при отработочных и приемных испытаниях космических аппаратов.
Акустические и ударные воздействия являются одними из видов механических нагрузок, которым подвергается космический аппарат (КА) на участке выведения например, отделение первых ступеней ракеты - носителя.
Создание акустических и ударных воздействий при наземной отработке является достаточно сложной проблемой. При этом ударные и акустические нагрузки реализуются последовательно: ударные испытания проводятся, как правило, на специальных импульсных (ударных) стендах, а акустические испытания в акустических реверберационных камерах.
Для проведения механических испытаний используют различные методы, которые описаны в патентных материалах: RU 2171974, SU 1803742, RU 2049320, WO 2004059399, WO 03056284. Наиболее близким является «Способ испытаний космического аппарата на механические воздействия» по патенту РФ №2305265. Способ испытаний космического аппарата на механические воздействия, заключающийся в испытании на воздействие акустического шума на заранее заданных режимах с предварительным получением передаточных функций для космического аппарата и его конструктивных элементов, регистрации уровней вибрации в контрольных точках космического аппарата. К недостаткам такого способа испытаний относится то, что испытания КА проводятся только на акустические воздействия. Необходимость проведения ударных испытаний требует в этом случае организации другого вида испытаний. Разместить импульсный стенд в акустической камере практически невозможно, так как и акустическая камера и импульсный стенд - это достаточно громоздкие сооружения. Стенд должен иметь мощный фундамент и является стационарным сооружением. Кроме того, существует достаточно много видов испытаний, когда и камера и стенд должны использоваться раздельно.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества проводимых испытаний (приближение процедуры испытаний к реальному процессу).
Эта задача достигается тем, что в процессе испытаний на воздействие акустического шума проводят ударное воздействие на космический аппарат по методу ударных спектров ускорений срабатыванием пиротехнических устройств, причем требуемый ударный спектр ускорений данных пиротехнических устройств формируют при их автономных испытаниях на ударных стендах
Суть заявляемого изобретения поясняется следующим образом.
При старте и на участке выведения конструкция КА, его приборы и оборудование испытывают воздействие различных нагрузок. Большинство из них носит комбинированный характер. Например, отделение первой ступени ракеты происходит в момент действия на обтекатель и КА акустических нагрузок. Разделение ступеней большинства ракет происходит путем разрыва связей с использованием различных пиротехнических устройств (пирозамков, разрывных болтов, детонирующих удлиненных зарядов и т.д.). При этом КА испытывает большие ударные воздействия, достигающие 3-5 тыc.g в зависимости от типа ракеты. 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. Проблема проведения ударных испытаний для КА состоит в создании малогабаритного регулируемого источника высокоинтенсивных ударных воздействий. Эта проблема решается, если для создания необходимого УСУ использовать разрывные болты типа 8X54 вместе с амортизационным стержнем. Причем испытания по формированию требуемого УСУ лучше всего проводить на специализированных ударных стендах.
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 8X54 - 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 материалов: текстолит-алюминий-сталь-алюминий-текстолит. Между слоями устанавливались фторопластовые кольцевые прокладки. На фиг.2 более подробно изображен набор вкладышей, сформированный в виде амортизационного стержня. Варьируя материалами вкладышей, типом пиротехнического устройства, формируют необходимый ударный спектр. Контроль создаваемого ударного ускорения (и соответственно, УСУ) выполняется с помощью акселерометра 5. 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.
Т.е. в процессе проведения акустических испытаний можно провести срабатывание пироустройств, которые и создадут требуемый ударный спектр ускорений. Ввиду его небольших размеров, такое пироустройство легко соединить с объектом испытаний (КА). Так как в акустических камерах имеется набор типовых источников напряжения, то подрыв пироустройств также не вызывает затруднений. Сами же разрывные болты к акустическим воздействиям нечувствительны. Кроме того, ударное воздействие будет выполняться тем же по физической природе источником ударных воздействий, что и при выведении КА.
Сама процедура предлагаемого способа проведения испытаний поясняется фиг.3, 4.
На фиг.3 показана акустическая камера - 6, 7 - КА, 8 - устройство отделения КА, к которому крепят амортизационные стержни - 9 с разрывными болтами 8X54 1, 10 - технологическая тележка. Крепление КА 7 к тележке 10 выполнено через штатные точки крепления с помощью переходника с удлиненной ножкой 11 (схема крепления амортизационных стержней к КА показана на фиг.4). Эти же переходники использовались и для крепления амортизационных стержней с разрывными болтами к волноводу 2 при автономных испытаниях.
Пример практического исполнения
Испытания по рассмотренной методике проводились на инженерном макете одного из КА негерметичного исполнения. Акустические испытания проводились в реверберационной камере РК660. КА в акустической камере был установлен на специальной технологической тележке. Схема проведения испытаний поясняется фиг.3, 4. На фиг.3 показана акустическая камера 6, 7 - КА, 8 - устройство отделения КА, к которому крепят амортизационные стержни 9 с разрывными болтами 8X54 - 1, 10 - технологическая тележка. Крепление КА 7 к тележке 10 выполнено через штатные точки крепления с помощью переходника с удлиненной ножкой 11 (схема крепления амортизационных стержней к КА показана на фиг.4). Втулки 12 обеспечивают жесткость соединению. Эти же переходники использовались и для крепления амортизационных стержней с разрывными болтами к волноводу 2 при автономных испытаниях. Выполнены переходники из стали. При автономных испытаниях также между переходником волноводом располагались пластины, имитирующие как узел крепления устройства отделения КА, так и ответную часть технологической тележки. Так как отверстия в области крепления амортизационных стержней подкреплены (фиг.4, поз.12), то ударное воздействие (УСУ) при переходе через систему "переходник - плиты" изменяется незначительно. Это было подтверждено и испытаниями. Отличия от ранее полученных результатов, когда имитировался аналогичный ударный спектр ускорений (таблица 2), находились в пределах погрешности измерений и обработки.
При проведении испытаний динамического макета КА на квалификационном режиме, приведенном в таблице 1, через 4 минуты после выхода на режим испытаний были подорваны четыре разрывных болта 8X54 1, установленных в амортизационные стержни 9. При подрыве создавался ударный спектр ускорений, приведенный в таблице 2. Регистрация ускорений в районе устройства отделения выполнялась с помощью акселерометров АВС052, а в центральной части КА - с помощью акселерометров ABC134 (всего 128 каналов). Акустическое давление регистрировалось с помощью акустических датчиков ДХС512 (4 датчика).
Ударные воздействия привели к значительному изменению (увеличению) нагрузки на КА в его центральной части. На фиг.5 в качестве примера показаны УСУ, зарегистрированные в центральной части динамического макета КА (точка крепления макета одного из приборов управления) при действии только акустического шума (график "а"), и подрыв болтов в процессе действия акустического шума (график "b"). Следует отметить, что в области резонансных частот, возбуждаемых акустическими воздействиями (частоты ~150 Гц и ~1100 Гц УСУ определяется как реакция на акустическое воздействие).
При этом величина ударного спектра ускорений в области крепления КА не изменилась по отношению к результатам, полученным при обычных ударных испытаниях (значения УСУ при ударном воздействии определяются только типом болтов и способом их крепления).
Нагрузки на антенный блок КА определялись величиной акустических воздействий, а влияние ударных воздействий оказалось незначительно.
Таким образом, использование комбинированного метода испытаний (одновременное акустическое и ударное воздействие) позволяет более качественно проводить испытания на механические воздействия и исключить в дальнейшем отказ приборов и оборудования в составе КА.
Полученные результаты потребовали уточнения спецификаций на оборудование, располагающееся в центральной части КА.
Таблица 1
Центр полосы-октавы, Частота, Гц
Квалификационный уровень давления звука, в дБ (отсчет от 2·10<sup>-5</sup> Па)
31.5
130
63
133
125
139
250
141
500
140
1000
137
2000
130
4000
123
Полный среднеквадратический уровень, дБ
146
Время действия, с
360
Таблица 2
Поддиапазон частот, Гц
35…50
50…100
100…200
200…500
500…1000
1000…10000
УСУ, g
5…10
10…30
30…80
80…350
350…1000
1000
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.