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航天振动试验设备

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航天行业对振动试验有特殊要求,因为入轨卫星的损伤不容易修复。对设备进行试验是研制计划的一个主要部分,要同时测试多个不同的参数。通过振动试验来验证所制造的系统的完整性。随机计算机功能变得更加强大,现在已经可以模拟振动或阻塞引起的不同频率对结构的影响。不过,这种分析是在结构完好的模型上进行的,无法模拟因材料薄弱或制造缺陷而引起的响应。

简介

航天振动试验设备的力千差万别,气冷的永磁振动机产生9N的正弦力,而水冷的振动机可以有数百牛。航天行业喜欢用水冷的振动机,可以保持清洁的环境进行卫星试验。水冷振动机的力一般在80~300kN(正弦)。尽管有这么大的力,采用多台振动机的试验系统还是越来越常见,这是因为有效载荷的尺寸和重量增加了。一个共用平台曾连接了多达四台振动机,以便安装有效载荷进行试验。这样,它们可以产生大于1000kN的力。LDS V900系列水冷振动机是航天领域事实上的标准振动机。

组成

航天振动试验设备一般由振动台、功率放大器、水平滑台和控制测量系统组成。

振动台

振动台是产生激振的主要设备,目前航天器振动试验大多数采用电动振动台,它具有频率范围宽、波形失真小、容易控制,并且可实现多个振动台同步运行等优点。电动振动台主要由台体、功率放大器、整流器(静圈的电源)和辅助冷却系统组成。台体具有由振动台面和驱动线圈组成的运动组件,在不动的直流励磁线圈和铁芯形成的恒定磁场中,使驱动线圈产生交变的电磁力,从而激起振动台面的振动。功率放大器是振动台的动力源,它把来自信号源的小功率信号放大,供给驱动线圈足够的、不失真的功率。功率放大器需要相应的辅助冷却系统。

目前振动台的推力可达200 kN(正弦)以上,下限频率可以低至2 Hz,如D4022LX双振动台,是当时国际上最大的电动振动台组合,两台振动台合成推力为2×200 kN。

水平滑台

水平滑台是航天器作水平方向振动试验用的辅助设备,是振动台系统的组成部分,其工作原理是将滑台台面支承在静压轴承上,平台和轴承间形成一层3~5mm的油膜。油膜压力在2~200 MPa间。如果卫星质量很大,台面需要加强以增加刚度。

功率放大器

大规模开关式功率放大器(开关频率达100 MHz)具有大功率、可组合、波形好、输出阻抗高等优点,此类功放和电动台的动圈直接耦合,使电动台下限频率低于5 Hz。

控制系统

控制系统是振动台系统的核心,其实质是自动调整输出频率和振幅,以实现自动控制的信号源。试验条件只有通过控制系统才能实现。数字控制系统若为正弦扫频振动控制,它应能以不同速率进行线形或对数扫频;能自动进行定位移、定速度、定加速度,并能自动切换;能实现多点平均控制(极大、极小)和响应限控制。控制系统若为随机振动控制,它能提供各种形状的功率谱设定;大动态范围;高均衡精度,实现多点平均(极大、极小)控制和响应限控制。目前振动控制系统都有自检功能和完善的保护功能。

试验夹具

试验夹具是连接试验件和振动台面之间的传力部件,保证试验件在规定的振动量级之下得到考验。因此,试验夹具的性能指标影响到振动试验的真实可靠程度,需要认真对待。对试验夹具的要求是:基频尽量高,最好高于试验的上限频率,或者至少为试验件基频的3~5倍;夹具连接面上各点的响应要一致,以保证振动输入的均匀性;夹具的横向振动应尽量小;夹具与试验件的连接状态应尽量与实际状态一致。

分类

电磁振动台

原理:通电线圈在恒定磁场中运动 。

特点:可模拟正弦,随机,冲击,冲击响应谱,随机加正弦等复杂模式的振动,振动模式设置灵活。配合水平滑台可分别完成三个方向振动。

优点:频率高(典型值5~3000Hz),波形失真小。

不足:台面小,行程小,台面漏磁,抗偏载能力弱,噪声大,环境要求高,技术复杂,维护成本高。

液压振动台

原理:电信号转为液压驱动轴向运动。

特点: 同电磁振动台可模拟正弦,随机,冲击,冲击响应谱,随机加正弦等复杂模式的振动。配合水平滑台可分别完成三个方向振动。

优点:与电磁振动台相比,低频特性好,推力大,台面大,无漏磁,抗偏载能力强,噪声小。工作环境要求不高,可在高温,低温,潮湿和有害气体环境下使用,低维护。

不足:频率低,典型值1~500Hz,技术难度大,国产技术不可靠。

多自由度振动台

特点:可模拟正弦,随机,冲击,路谱等复杂模式的振动。

优点: 可同时完成1到6个方向的振动,模拟更真实的振动环境。

不足: 频率低,典型值1~500Hz,技术难度大,国产技术不可靠,成本高。

我国航天振动试验设备研制

在火箭发射阶段,航天器将经受振动、冲击、噪声等各种力学环境的考验。振动台是模拟航天器起飞时承受振动环境的试验系统。

2016新年伊始,北京卫星环境工程研究所自主研制的140吨振动试验系统顺利完成验收测试和某型号振动环境试验,标志着世界最大推力电动振动试验系统研制成功。我国环境模拟试验能力再获新突破。

为了满足以我国载人航天工程二期为代表的大型航天器力学试验需求,140吨振动试验系统设计之初就立足于突破我国现有的单体振动台能力不足的瓶颈。2013年初系统开始设计建设,2015年底建成投入使用,目前是世界上推力最大的电动振动台系统,主要包括垂直振动试验系统和水平振动试验系统,具有完全独立的自主知识产权。

垂直振动试验系统由四个振动台、镁合金焊接扩展台面及导向支撑系统、同步控制系统以及智能化健康监测系统等组成,研制中突破了四台同步激振、大尺寸镁合金台面焊接(包络尺寸达到4.6m×4.6m)、高精度高承载高稳定性导向支撑等多项关键技术,系统静承载能力达到40吨、最大推力140吨,抗倾覆能力350KNm,系统频率大于200Hz。

由两个振动台组成的水平振动试验系统采用“品”字型组合式水平滑台台面,克服了大型镁合金台面加工制造的难题,台面尺寸达到4.65m×4.78m,同时具备单台、双台使用模式;该系统分区优化布置百余个轴承,静承载能力超过百吨,最大推力70吨,抗倾覆能力6000KNm,系统频率大于300Hz。整个试验系统各项技术指标达到国际领先水平。

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