[30]航天器振动试验的最新进展.pdf

航天器振动试验的最新进展 于海昌 北京强度与环境研究所 北京 100076 摘要 在航天器 卫星 飞船 的验证和鉴定过程中 结构部件和系统级的振动 试验占有十分重要的地位 介绍了欧美航天部门采用底部激励方法进行航天器低 频振动鉴定试验的技术现状 讨论了系统级振动试验的难点与对策 最后 评估了 该项技术未来发展趋势及其有效性 主题词 航天器 鉴定试验 试验设备 The Up to date Progress of Vibration Test of Spacecraft Yu Haichang Beijing Institute of Strength 法国国家空间研究中心 国际空间公司 设在法国的图卢兹 西德的工业 设备公司 I ABG 设在西德的O ttobrunn 这3个通用试验中心 分别配置了多台激振能力 高达140 kN的激振器 可以实现双台并激三向单轴振动试验 这些设备承担了由阿里安3 4所发射的各种有效载荷 卫星 飞船 的设备级 分系统级和系统级的振动试验 其有效载 荷质量可达2 000 kg 2 500 kg 80年代末 法国的国际空间公司配置了由双台并联形成的激振能力为300 kN 150 kN 2 的振动试验系统 可完成重达4 000 kg的航天器的垂直和水平振动试验 整个激振系 统由3台英国L ing公司的LDS984 L S型电磁激振器组成 其测量能力可达256个能道 试 验控制采用了美国GenRad 2514控制终端 数据采集和处理软件可在MA SSCOM P计算机 上运行 其力学环境试验的主要技术指标为 正弦试验频率范围 2 Hz 3 000 Hz 随机试验频率范围 5 Hz 2 500 Hz 声振试验频率范围 22 4 Hz 11 200 Hz 1 3倍频程 该中心已于1988年完成了Itaisat和Hyparcos两颗卫星的力学环境试验 下一个目标 是对振动系统进行改造 把有效载荷的质量提高到5 000 kg 63 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 1999年 3 难点与对策 3 1 难点 典型的振动控制通常是在试验装置上靠近激振器2试件界面处 按给定的加速度振级进 行振动试验 在正弦振动情况下 要求激振振级必须达到指定量级 并把输入力谱控制在试 验所允许的偏差范围内 采用这种控制原则主要是因为加速度测量相对简单和测试成本较 低 实际上 在试件共振频率下 由于试件和安装结构视在质量的影响 试件的机械阻抗很 高 所以要求很高的力来保持界面的加速度振级 现场安装结构 夹具 通常不能提供保持界 面加速度所需要的力 所以在现场观测的界面加速度上出现了 带谷 反之 要想使现场观 测谱不出现 带谷 就得使振动台通过刚性夹具给试件提供很高的力 这样通常又会导致严 重的过试验 在正弦扫描试验中 可以通过修正 带谷 的方法 以限制试验指定的试件某些 位置处的响应量级 实际试验应用中 发现有两种困难 图1 典型的卫星振动试验期间 动力相互作用和控制问题实例 a 寄生的或不希望的运动叠加到主振 方向 垂直方向或水平方向 它们又可分成 两种情况 1 除保持主振方向的运动外 存 在5个刚体运动分量 即2个非主振方向的 平动和3个转动 它们可能是由控制系统 不完善或试件的特性不对称引起的 人们关 心100 Hz以下的低频特性 这取决于试验 件的质量特性 2 由于界面的柔性可能使界 面的弹性变形加入到上述的刚体运动之中 人们关心100 Hz以上的高频特性 b 因为激振器和试件组合系统的动特 性变化太快 还可能存在非线性 所以控制 系统要保持界面上所要求的指定振级是相 当困难的 它可能导致主振方向上实际的振 级偏差过大 有可能超过试验条件所允许的 偏差 即过试验 随着扫瞄率和振型动态因 子 Q值 的加大 这些困难是越来越明显 了 图1所示的某航天器低量级正弦振动试 验数据详细地解释了这两类问题 3 2 对策 在经典的正弦扫瞄试验中 最重要的准则之一是根据界面力和力矩确定修正 带谷 的 方法 如果采用自动 带谷 控制方法 要求控制系统有直接测量力的能力是很重要的 在瞬 态 单轴或多轴 试验中 估计被测试件的动力质量也是必须的 为此 也要求测量力 对于力 测量技术 可以展望的各种对策是 a 利用分析计算的凝聚质量和在相应的自由度上所测量的加速度进行脱机计算的混 73第4期 于海昌 航天器振动试验的最新进展 合法 b 利用激振器驱动张力信号 计算出由激振器产生的轴向力的间接法 c 基于试件上应变计的测量数据进行试验的联机计算法 d 基于在试件和试验设备之间安装力测量装置 FMD 的联机计算法 这种测力装置 已由欧空局研制成功 4 发展趋势 图2 FMD和SPU的原理图 下面介绍法国国际空间中心利用力测量装 置进行力控和新墨西哥州国家实验室用电压和 电流测量进行力控试验的某些细节 这两类方 法代表了当前力控振动试验技术的主要发展趋 势 4 1 法国国际空间中心的力测量装置 欧空局已研制出一个能在振动试验期间 测量沿着航天器和激振器之间6个界面自由度 方向上的动力力的测量系统 欧空局提出的力测量装置FMD的概念是 在一个刚性支撑环之间安装8个三轴压电晶体 力传感器 如图2所示 下面一组传感器夹持在试验设备上 上面一组夹持在试件连接器 图3 模态试验构型 上 上界面是按有1 194mm界面高度的阿里安4卫星试验 而设计的 为了能对在界面上提供总力和力矩传感器的输 出进行加权和组合 设计了一个模拟式电信号处理装置 SPU 这样就能得到6个最终的输出信号 3 个总力和3 个总力矩 图2示有FMD和SPU装置的主要特征 FMD 是按测量频率为0 001 Hz 100 Hz的力和力矩 而且测量 误差要小于3 的要求而设计的 当SPU判断出试验超载 或欠载时 操作者通过基本信号程序 可以在5个测量量程 范围内做出选择 从而获得最佳力控精度 从力学观点看 宇航部门最感兴趣的是必须评估FMD 的夹具柔性对试件动力特性影响 这个问题是通过把一块 钢板 150 kg 夹持在激振器台面上进行模态试验验证解决 的 图3详述了整个模态试验的构型 在5 Hz 100 Hz频 率范围内 用120 N激励力进行正弦扫瞄试验 电动激振器 通过连接于钢板的连接器同时给试件施加激振力 按逐步激 起每个自由度的响应 详细确定所需的激振状态 试件上 FMD装置加上钢板 安装有99个加速度计 用正交多项式算法确定了模态参数和振型 所 83 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 1999年 识别出的主振型为 a 载荷元件 此处为钢板 的弯曲振型频率为390 Hz b 由于载荷元件 弯曲柔性引起的扭转振型频率为410 Hz 上述试验数据与FMD测量所得试验结果比较 表明它们之间有很好的一致性 除通过钢板进行上述模态试验外 还在此钢板上施加两个对称的质量 使试件的总质量 达到2 350 kg 用此试验构型验证了试验系统对这个简单的柔性试件的适应性 见图 4 图4 正弦试验构型 简单柔性试件 对带有FMD装置的试验系统得到如下看法 a 对简单的柔性试件 FMD对试验频率低于150 Hz的试件动力响应没有影响 b 证明了用FMD进行动力质量评估是可行的 由此得出这样的结论 利用FMD进行试验测量 和力控 在整个感兴趣的频率范围内 高到100 Hz 它对航天器振动试验的动力特性没有影响 4 2 利用电压和电流测量进行力控试验 在过去的30年里 已推出若干有效的限制试件共振量级 过试验 的驱动力的方法 所 有这些技术都力求限制振动台提供的力达到一个指定的量值 实际上 4 1节介绍的测量力 的力控方法 由于试验设备系统复杂 费用较高 因此要推广应用于所有宇航部门将是困难 的 所以利用电压和电流进行力控的方法受到普遍重视 当前计算施加给试件实际力的最为 有效的方法是Scharton的频率锁定法 对于一个适度的线性试件 电流是直接与驱动力有 关的 这种方法能使力控达到较好的近似 从而减少与夹具设计 安装以及使用力传感器增 加费用等带来的一系列问题 4 2 1 利用电流和电压估计力 实践中 典型的是利用类似于图5所示的试验系统测量力 已经提及的利用力传感器测 力的最大困难是很难完全消除试件共振所引起的不希望有的运动 所需的测量仪器和数据 处理方法还有待改进 因此人们仍然在不断深入地研究利用电流和电压估计力的方法 对于单轴激励 提供给安装于电动激振器上的载荷 试件 上的力等于激振器提供的力 减去用于加速激振器动圈和夹具所需要的力 图6上半部分示有电动2机械力的传递路线 图6的下半部分示有这种电动机械力传递路线的电路模拟 在电路模拟中 电流正比于力 电压正比于速度 由功率放大器提供的电流分成驱动动圈和夹具的电流力 Is 和驱动载荷 的 电流力 I1 提供给激振器动圈的电流正比于穿过激振器动圈的电压 依次 动圈电压正 比于激振器 2载荷界面的速度 这种动圈电压 2速度关系意味着 为了有效地估计施加给载 荷的力 要求把电压和电流两者都要测量出来 因为估计力需要电压和电流之间的相位关系数据 所以要求测量瞬时 均值和有效值 电压和电流 Smallwood基于图6关系给出如下方程 F载荷 K I总电流 Y空台E 1 此式表明电压 E 和电流 I总电流 与施加给试件的力的关系 总电流 I总电流 减去电流 Y空台E 用来产生加速动圈和夹具达到界面加速度所需的力 F载荷 正比例项K 用于表 征电流和电压的线性关系 93第4期 于海昌 航天器振动试验的最新进展 图5 力传感器界面 图6 激振器和试件的机2电模型 根据这些基本条件可进行两项试验 在第1个试验中 激振器上不施加载荷进行空台试 验 以确定出Y空台 见方程 2 在第2个试验中 在激振器上安装有静载荷 根据测量的载 荷加速度 a载荷 总电流和电压用方程 3 计算出K I空台 E空台 Y空台 2 K M载荷a载荷 I总电流 Y空台E 3 求出K 和Y空台 则可用方程 1 计算出施加给试件的力和电流的关系 用方程 2 和 3 求出力限制谱 然后用方程 1 计算电流和电压限制谱 这就意味着可以通过控制电流和电 压谱来限制力 对于电动激振器力限制谱的频率可以高到近似500 Hz 这种关系一般仍可 保持真实系统的特性 4 2 2 福特 Forte 卫星的力控和电流电压控制的比较 利用U nholtz2D ickie T4000型振动台和192 kW功率放大器进行了Forte卫星的振动 试验 采用频率锁定法进行力限制谱研究 这个功率放大器装有电压和电流测量电路 它能 很好地估计出提供给激振器的瞬时电压和电流 此外 在试验夹具上安装有力计 可以通过 卫星2夹具界面测量施加给卫星的力 做比较用 根据不加载荷 空台 和加有约136 kg静 载荷条件进行电流和电压测量 频响函数传递给M atlab TM 计算软件 并按方程 1 3 进行有关计算 图7示有传递给M P振动控制器的合成电流限制谱 图8示有这两种情况的激振器2试件界面上的加速度谱 图8表明 驱动试件在共振振 动频率处产生的加速度似乎有相等的值 从而证明用力传感器限制力和利用电流限制力是 等效的 5 结束语 从已有资料看到 欧美宇航部门对航天器振动试验给予了很大关注 许多大的试验研究 04 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 1999年 图8 福特卫星电流限制与力限制 图7 计算的电流限制谱比较 界面加速度谱比较 中心 在振动试验理论方法 技术途径和设备研制方面都投入了相当多的技术力量 其主要 原因是目前待发射的商业卫星数目在不断地增加 而且结构尺寸 重量及其复杂性也在不断 地增加 从已制定的低频振动环境鉴定试验条件可以看出 待试试件的试验频带加宽了 尤 其是 低频下降可能降至0 2 Hz 1 0 Hz 因此 寻找避免试件欠试验和过试验的新的振动 控制方法已成为当务之急 当前许多研究报告表明 要克服单轴加速度响应控制方法带来的缺陷 最好的方法是采 用力控技术 这一点已在本专业领域内达成了共识 然而 由于当前已研制出的各种力控方 法 都是根据各个部门自身的现有条件和需求开发出来的 尽管某些文章作者们根据自身的 应用陈述了各自的优缺点 但是要在横向比较中肯定哪种方法是最好的 还为时过早 中国航天部门已引进多台推力高达160 kN的大型电磁振动台 它对完善和改变中国 航天器力学环境试验的现状 将起到十分重要的作用 鉴于国内力学环境试验多数仍是以加 速度响应多点平均控制为主 虽然有些单位在力控方面也作了大量工作 然而在力控方法的 完善程度和实际应用方面仍存在很大差距 也许本文可给出这样的启示 已具备大型环境试 验设备的单位 应尽快探讨 研制和完善力控振动试验方法 并争取尽早应用于航天器的实 际工程的振动试验之中 参 考 文 献 1 M I L STD 1540C Test requirements for launch upper stage and space vehiches 1994204215 2 L atay J F等 欧洲卫星试验用大型环境设备的研制 朱仲方译 国外导弹技术 1985 1 3 Jean claude PA SQU ET N ew vibration equipment for A riane class satellites 1988 Proceedings2 Institute of En