我國(guó)載人航天器力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展

向樹(shù)紅 韓曉健 劉闖

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

大型航天器(如載人飛船、天宮試驗(yàn)室、空間站等)不斷涌現(xiàn)，其尺寸和質(zhì)量的規(guī)模不斷增大，對(duì)現(xiàn)有動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法均提出了新的挑戰(zhàn)。環(huán)境模擬試驗(yàn)的有效性，能否簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有的試驗(yàn)技術(shù)加以放大照搬到大型航天器921的振動(dòng)/噪聲試驗(yàn)，或者能否采用新的試驗(yàn)方法完成試驗(yàn)驗(yàn)證和產(chǎn)品考核；大型設(shè)備研制面臨的難度，技術(shù)可行性和成本的評(píng)估。

中國(guó)航天經(jīng)歷了30年的發(fā)展，也是載人航天器的力學(xué)試驗(yàn)歷史發(fā)展的關(guān)鍵30年，試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)?zāi)芰?shí)現(xiàn)了兩個(gè)跨越。第一個(gè)跨越是繼承國(guó)外技術(shù)的發(fā)展形成我們自己的試驗(yàn)技術(shù)和能力基礎(chǔ)，建造了以40 t雙振動(dòng)臺(tái)、2163 m3混響室為代表的大型力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，完成了載人航天器的第一、二階段的試驗(yàn)任務(wù)。隨著超大型空間站的建設(shè)需要，現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)芰σ堰h(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，迫切需要發(fā)展與之匹配的試驗(yàn)和試驗(yàn)設(shè)備，經(jīng)歷了幾年的臥薪嘗膽、不懈奮進(jìn)，建造了獨(dú)立自主研發(fā)的滿(mǎn)足載人航天器第三階段的(空間站建造階段)的以1400 kN振動(dòng)臺(tái)、4000 m3混響室為代表的大型力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)技術(shù)，完成了截至目前為止的空間站、試驗(yàn)艙I的試驗(yàn)，為航天器的發(fā)射、運(yùn)行奠定了環(huán)境驗(yàn)證的基礎(chǔ)，同時(shí)試驗(yàn)設(shè)備能力及試驗(yàn)技術(shù)還可滿(mǎn)足未來(lái)超大型航天器試驗(yàn)任務(wù)的需求。

本文主要從主要突破的關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)及典型的整船/器級(jí)試驗(yàn)技術(shù)闡述了這兩次力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)、設(shè)備能力的跨越經(jīng)歷。

1 載人航天第一階段力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展

1.1 2163 m3混響室建造技術(shù)

飛船在任務(wù)周期內(nèi)，受到各種環(huán)境作用，因此在設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、研制階段，必須考慮這些環(huán)境的影響以避免飛船發(fā)射失敗和性能降低.其中聲振環(huán)境引起的結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng)是最嚴(yán)酷且最為人們重視問(wèn)題之一，因?yàn)樗稍斐山Y(jié)構(gòu)和設(shè)備的過(guò)應(yīng)力或疲勞破壞，還可造成設(shè)備的誤操作。飛船的聲振環(huán)境主要在其發(fā)射、上升和返回過(guò)程中產(chǎn)生。起飛時(shí)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火以及推力脈動(dòng)，排氣噪聲和噴氣產(chǎn)生的地面反射噪聲通過(guò)整流罩傳入激勵(lì)飛船:在上升到跨音速階段和超音速階段，產(chǎn)生較大的聲環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng):在第二、三級(jí)火箭點(diǎn)火時(shí)，也將產(chǎn)生較大的聲環(huán)靜和結(jié)構(gòu)響應(yīng):返回階段，噪聲環(huán)境主要來(lái)源于氣動(dòng)噪聲，再入過(guò)程中，氣流與返回艙相互作用的擾動(dòng)引起返回艙表面壓力脈動(dòng)，氣動(dòng)壓力脈動(dòng)是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的根本原因，在返回艙表面不同流態(tài)區(qū)域，壓力脈動(dòng)情況不同，引起的噪聲強(qiáng)度和頻率分布也各不相同，在激波振蕩區(qū)，壓力脈動(dòng)最大，噪聲聲壓最大。國(guó)外飛船的聲振環(huán)境主要通過(guò)混響室中的聲學(xué)試驗(yàn)來(lái)模擬。美軍標(biāo)MIL-STD-1540C“運(yùn)載器、頂級(jí)飛行器、航天器試驗(yàn)要求”和MIL-STD-810E對(duì)聲試驗(yàn)做了相應(yīng)規(guī)定，對(duì)大面積質(zhì)量比的結(jié)構(gòu)和體積較大的產(chǎn)品更應(yīng)該做聲試驗(yàn)，聲學(xué)試驗(yàn)在混響室中進(jìn)行。其目的是考核飛船和飛船艙段，特別是船載機(jī)電設(shè)備，經(jīng)受這種聲學(xué)環(huán)境的能力，從而暴露飛船設(shè)計(jì)及工藝裝配中存在的問(wèn)題，驗(yàn)證飛船結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和電性能是否符合設(shè)計(jì)要求。2163 m3混響室正是針對(duì)這一目標(biāo)，為配合新的試驗(yàn)要求而建立的。

2163 m3混響室是國(guó)家921載人航天工程可靠性保證實(shí)驗(yàn)室之一，為大型航天器研制服務(wù)。該混響室體積達(dá)到2163 m3，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型航天器混響聲試驗(yàn)的空白，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外同類(lèi)試驗(yàn)設(shè)備相當(dāng)，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。圓滿(mǎn)完成了神舟一號(hào)飛船噪聲試驗(yàn)任務(wù)，技術(shù)上有創(chuàng)新，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在載人航天工程第一次飛行試驗(yàn)成功提供了保證。

主要設(shè)計(jì)思路：①混響室容積設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足航天器系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)的需要；②對(duì)聲譜的控制允差要求更為嚴(yán)格，以保證混響聲場(chǎng)的技術(shù)特性滿(mǎn)足試驗(yàn)要求(例如不同截止頻率喇叭的組合使用，高低頻氣流調(diào)制器的組合使用和數(shù)字式多輸入多輸出快速均衡聲試驗(yàn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，都是很有用的技術(shù)措施)；③氮?dú)庾鳛榛祉懯覛饬髡{(diào)制器的氣流介質(zhì)，以減少聲吸收消耗和防止聲介質(zhì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品的污染而被廣泛采用；④在當(dāng)時(shí)測(cè)試技術(shù)還處于大多是模擬測(cè)試的技術(shù)基礎(chǔ)上，選用用實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)替代模擬的磁帶記錄儀；⑤合理的選擇混響室的形狀可以調(diào)整聲模態(tài)在空間和頻域分布上的均勻性，以達(dá)到降低最低試驗(yàn)頻率，改善聲擴(kuò)散條件的目的；⑥凈化度至少10萬(wàn)級(jí)；⑦試驗(yàn)室的一體化原則。

創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)混響室系統(tǒng)包括混響室本體、氣源、聲源、聲控、測(cè)量等多個(gè)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為一大型的系統(tǒng)工程?；祉懯殷w積達(dá)到2163 m3，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型航天器混響聲試驗(yàn)的空白，與國(guó)際同類(lèi)設(shè)各相當(dāng)。聲測(cè)量和加速度等響應(yīng)測(cè)量采用實(shí)時(shí)處理和分析系統(tǒng)，大大提高分析能力和工作效率。試驗(yàn)聲譜等各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)均達(dá)到試驗(yàn)任務(wù)書(shū)技術(shù)要求。

(2)聲譜低頻段模態(tài)密度較高，保證試驗(yàn)聲譜滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)譜條件，特別是滿(mǎn)足聲譜低頻段要求，克服己往國(guó)內(nèi)中小型混響室中出現(xiàn)的試驗(yàn)聲譜低頻段超差的缺陷。

(3)聲強(qiáng)空間變化較小，試驗(yàn)聲場(chǎng)具有極佳的均勻性。

(4)利用多喇叭聲源匹配組合技術(shù)，充分發(fā)揮各喇叭以及各氣流調(diào)制聲發(fā)聲器的性能，使用先進(jìn)的高頻發(fā)聲器技術(shù)，大大提高譜成型能力。

(5)控制系統(tǒng)為十六路輸入八路輸出閉環(huán)系統(tǒng)，采用新的分頻技術(shù)、非線性技術(shù)、最佳步長(zhǎng)技術(shù)控制混響室聲場(chǎng)。

(6)采用先進(jìn)的氣源系統(tǒng)。

(7)混響室大門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅保證大門(mén)運(yùn)行暢通，且在試驗(yàn)中保證良好的密封性，具有較好的隔聲效果。

(8)采用了有效的消聲設(shè)計(jì)，達(dá)到環(huán)保要求。

建成后的主要技術(shù)指標(biāo)：容積2163 m3，高20.7 m，長(zhǎng)11 m，寬9.5 m；最大總聲壓級(jí)153.8 dB，譜成型最大聲壓147 dB；頻率范圍31.5 Hz～10 kHz；聲譜滿(mǎn)足航天飛行器試驗(yàn)譜，可保持譜形總聲壓級(jí)變化范圍135～147 dB；控制方式為多輸入多輸出閉環(huán)控制系統(tǒng)；模態(tài)密度大于7個(gè)模態(tài)(在中心頻率為31.5 Hz的1/3oct頻段內(nèi)為7個(gè)模態(tài))。

國(guó)內(nèi)外飛船的聲振環(huán)境主要通過(guò)混響室中的聲學(xué)試驗(yàn)來(lái)模擬。美軍標(biāo)M1L-STD-1540C“運(yùn)載器、頂級(jí)飛行器、航天器試驗(yàn)要求”和M1L-STD--810E對(duì)聲試驗(yàn)做了相應(yīng)規(guī)定，對(duì)大面積質(zhì)量比的結(jié)構(gòu)和體積較大的產(chǎn)品更應(yīng)該做聲試驗(yàn)，聲學(xué)試驗(yàn)一般在混響室中進(jìn)行飛船聲試驗(yàn)?zāi)康氖强己孙w船和飛船艙段(特別是船上的機(jī)電設(shè)備)，經(jīng)受聲學(xué)環(huán)境的能力，從而暴露飛船設(shè)計(jì)及工藝裝配中存在的問(wèn)題，驗(yàn)證飛船結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和電性能是否符合設(shè)計(jì)要求。2163 m3混響室正是針對(duì)這一目標(biāo)，為配合新的試驗(yàn)要求而建立的，主要從事大型航天器噪聲試驗(yàn)，為大量衛(wèi)星和未來(lái)的小型航天飛機(jī)或空間站等大型航天器的噪聲試驗(yàn)提供了試驗(yàn)設(shè)備，如圖1所示。

圖1 2163 m3混響室Fig.1 2163 m3 reverberation chamber

通過(guò)對(duì)該混響室系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，其結(jié)果顯示很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，保證了飛船聲試驗(yàn)的順利進(jìn)行，在結(jié)構(gòu)1I、正樣船聲試驗(yàn)中，為我人航天工程第一次飛行試驗(yàn)提供了大量可靠的數(shù)據(jù)。除飛船試驗(yàn)外，后續(xù)大量大型衛(wèi)星也在該混響室中中完成，為大型航天器的聲環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。

1.2 船罩聯(lián)合試驗(yàn)

1997年在完成了921船/罩聯(lián)合模態(tài)試驗(yàn)后，為揭示船/罩組合體的動(dòng)力學(xué)特性提供了大量有用數(shù)據(jù)，為更進(jìn)一步摸清支撐機(jī)構(gòu)對(duì)飛船的傳遞特性影響及支撐機(jī)構(gòu)的非線性，決定利用五院的2×200 kN雙臺(tái)并聯(lián)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行船/罩聯(lián)合動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，并于1998年6月責(zé)成511所組成課題組提出方案，著手試驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作。其主要研究?jī)?nèi)容：①考核船罩組合體在2～100 Hz低頻振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性；②獲取飛船、整流罩的動(dòng)力特性數(shù)據(jù)，并為飛船制定正弦試驗(yàn)條件提供依據(jù)；③摸清支撐機(jī)構(gòu)支撐點(diǎn)對(duì)飛船低頻傳遞特性的影響及支撐機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)非線性行為；④通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)即基礎(chǔ)激勵(lì)獲取船/罩的主要模態(tài)參數(shù)，為修正理論模型提供依據(jù)。

1.2.1 技術(shù)方案

針對(duì)該項(xiàng)在當(dāng)時(shí)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，課題研究組經(jīng)大量的調(diào)研及技術(shù)論證后，確定了如下技術(shù)方案。

1)總體思路

“921”船/罩組合體總質(zhì)量超15 t，對(duì)如此之大的高質(zhì)心結(jié)構(gòu)，在低頻振動(dòng)環(huán)境條件下進(jìn)行基礎(chǔ)激勵(lì)，開(kāi)展其動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，其主要問(wèn)題是因?yàn)槭芗ふ裨O(shè)備的限制，且基礎(chǔ)激勵(lì)的模態(tài)辨識(shí)方法還未廣泛應(yīng)用。此課題即是從理論上分析完成該項(xiàng)研究試驗(yàn)任務(wù)的可能性，從設(shè)備的改造及保護(hù)，并采用更加科學(xué)的平均控制加響應(yīng)下凹控制方法，多通道大容量的實(shí)時(shí)采集測(cè)量及分析方法出發(fā)確保研究試驗(yàn)順利完成，來(lái)達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2)技術(shù)路徑

(1)船/罩聯(lián)合振動(dòng)試驗(yàn)理論預(yù)示：對(duì)船/罩組合體建立了三維有限元模型，得出船/罩組合體的質(zhì)量特性、固有頻率、頗響關(guān)系、根部?jī)A覆力矩，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平等，作為研究試驗(yàn)時(shí)的參考，同時(shí)為更深入的理論分析工作打下基礎(chǔ)。

(2)設(shè)備的改造與調(diào)試：2×200 kN雙臺(tái)并聯(lián)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)最大推力為400 kN，為滿(mǎn)足大型試件的振動(dòng)試驗(yàn)要求，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)采用大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

(3)水平滑臺(tái)臺(tái)面的加強(qiáng)：原水平滑臺(tái)臺(tái)面厚度其彎曲剛度不能滿(mǎn)足超大型試件試驗(yàn)要求，為避免組合體的橫向振動(dòng)試驗(yàn)中，由于臺(tái)面彎曲剛度太低導(dǎo)致的滑臺(tái)卡死，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行，設(shè)計(jì)了一個(gè)加強(qiáng)臺(tái)面以提高滑臺(tái)臺(tái)面的抗彎剛度。加強(qiáng)后的水平滑臺(tái)臺(tái)面抗彎剛度提高30余倍。

(4)懸掛系統(tǒng)： 雙振動(dòng)臺(tái)垂直擴(kuò)展頭額定靜負(fù)載為14 t，而船/罩組合體、振動(dòng)試驗(yàn)夾具及擴(kuò)展頭本身的總質(zhì)量達(dá)22 t，因此必須采用懸掛系統(tǒng)，橫向試驗(yàn)時(shí)為確保載荷均勻分布，避免滑臺(tái)卡死也必須采用懸掛系統(tǒng)。懸掛系統(tǒng)包括懸掛支架及橡膠緩沖繩組。懸掛系統(tǒng)的縱向一階共振頗率低于1.5 Hz，滿(mǎn)足試驗(yàn)使用要求。

(5)電流同步控制線路的改進(jìn)：振動(dòng)臺(tái)原提供的電流相位/幅值同步控制系統(tǒng)由于本身沒(méi)有初始時(shí)基信號(hào)，因此不能與通用的振動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)用，無(wú)法進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。課題組在電流相位/幅值同步控制系統(tǒng)前加入時(shí)基信號(hào)發(fā)生器，使同步控制系統(tǒng)能正常工作并適用于任何振動(dòng)控制系統(tǒng)。

(6)橫向試驗(yàn)時(shí)的設(shè)備保護(hù)：因水平滑臺(tái)抗傾覆力矩982 kNm，經(jīng)理論分析，橫向大于高量級(jí)激振時(shí)如支撐機(jī)構(gòu)卡死，可能產(chǎn)生的傾覆力矩已超過(guò)水平滑臺(tái)的抗傾覆力矩。為保護(hù)設(shè)備，擬采用力控制方法，通過(guò)使船/罩傾覆力矩小于水平滑臺(tái)抗傾覆力矩。

(7)試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了近600通道的響應(yīng)測(cè)量及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

921船/罩聯(lián)合動(dòng)力學(xué)特性的試驗(yàn)研究是我國(guó)當(dāng)時(shí)所完成的一項(xiàng)最大的環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)，具有很高的難度和實(shí)用價(jià)值。采用的先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)和分析技術(shù)確保了該課題的完滿(mǎn)完成.組合體在低頻振動(dòng)環(huán)境下的機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，并考核了組合體在該環(huán)境下的環(huán)瓏適應(yīng)性，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)研究目的。

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)及主要進(jìn)步點(diǎn)

(1)試驗(yàn)難度大：表現(xiàn)于在高量級(jí)激振下的機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)動(dòng)特性不清，產(chǎn)品質(zhì)量大、外形尺寸大、重心高，測(cè)量物理量多、測(cè)量通道多，這在當(dāng)時(shí)國(guó)際上是空前的。

(2)設(shè)備改造：振動(dòng)臺(tái)基座的改造，提高了基礎(chǔ)剛度?？刂苹芈分屑尤氤跏紩r(shí)基信號(hào)發(fā)生器，使同步控制正常工作并適用于任何振動(dòng)控制系統(tǒng)，使雙臺(tái)同步控制精度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

(3)采用加強(qiáng)臺(tái)面提高滑臺(tái)臺(tái)面的彎曲同剛度，采用懸掛系統(tǒng)確?；_(tái)靜載均勻分布，避免滑臺(tái)卡死，采用傾覆力矩的響應(yīng)控制，保護(hù)滑臺(tái)，是當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

(4)利用環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)激勵(lì)的結(jié)構(gòu)模態(tài)辨識(shí)，也是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)僅有的技術(shù)。

(5)采用多點(diǎn)平均和響應(yīng)控制技術(shù)，使試驗(yàn)控制更加合理，采用特征性檢驗(yàn)技術(shù)判斷結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性。

(6)采用逐級(jí)加載法，驗(yàn)證支撐機(jī)構(gòu)的機(jī)理，確定船/罩傳遞特性及支撐機(jī)構(gòu)的非線性。

(7)采用多通道、多物理量大容量實(shí)時(shí)記錄和分析技術(shù)，確保了數(shù)據(jù)獲取率，為分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性提供了依據(jù)，這在當(dāng)時(shí)是國(guó)內(nèi)空前的。

(8)縱向解鎖試驗(yàn)，選取合理方案，確保了應(yīng)變測(cè)量成功。

該課題的試驗(yàn)及分析方法為超大型航天器及其它軍民品的研究試驗(yàn)提供了廣闊的應(yīng)用前景，船/罩聯(lián)合試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 船/罩聯(lián)合試驗(yàn)Fig.2 Spaceship/shroud testing

1.3 “神舟一號(hào)”振動(dòng)、噪聲、模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)

當(dāng)時(shí)美國(guó)在“水星”、“雙子星座”、“阿波羅”載人飛船計(jì)劃，蘇聯(lián)在“東方紅”、“上升號(hào)”、“聯(lián)盟號(hào)”、“禮炮號(hào)”技術(shù)中，都繼承了衛(wèi)星研制基礎(chǔ)技術(shù)，進(jìn)行了嚴(yán)格的地面環(huán)境試驗(yàn)和無(wú)人飛船的飛行試驗(yàn)，滿(mǎn)足了試驗(yàn)需求。我國(guó)飛船研制也需要進(jìn)行低頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)，高頻噪聲試驗(yàn)，但由于飛船質(zhì)量、尺寸大，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備能力(靜載、推力、抗傾覆力矩)等都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，迫切需要建立滿(mǎn)足飛船建造及后續(xù)921工程大型航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的需求。為確保我國(guó)飛船任務(wù)的可靠、安全的完成，在借鑒國(guó)外試驗(yàn)技術(shù)及引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備后，形成適宜我國(guó)飛船試驗(yàn)?zāi)芰Φ拇笮驼駝?dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其是神舟一號(hào)飛船的力學(xué)試驗(yàn)的完滿(mǎn)完成，標(biāo)志著我國(guó)已具備以飛船為代表的大型航天器動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)能力，其成功經(jīng)驗(yàn)及關(guān)鍵技術(shù)如下。

1)神舟一號(hào)力學(xué)試驗(yàn)的總體方案

整船振動(dòng)試驗(yàn)采用雙振動(dòng)臺(tái)并聯(lián)的總體方案，這樣可確保輸入界面環(huán)境條件的均勻性和推力，模擬低頻振動(dòng)環(huán)境，具有足夠的抗傾覆力矩。高強(qiáng)噪聲試驗(yàn)采用六面體的混響室多聲源激勵(lì)的總體方案，可確保試驗(yàn)聲場(chǎng)的均勻性，更好模擬高頻噪聲環(huán)境。模態(tài)試驗(yàn)采用多點(diǎn)激勵(lì)方法辯識(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的總體方案，可更好辯識(shí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)模態(tài)。數(shù)據(jù)采集和分析采用大容量實(shí)時(shí)處理和記錄的總體方案，該方案的建立為后續(xù)試驗(yàn)的順利開(kāi)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2)振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

振動(dòng)試驗(yàn)中采用2×20 t雙臺(tái)并聯(lián)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為我國(guó)目前最大的振動(dòng)臺(tái)，經(jīng)驗(yàn)收后滿(mǎn)足飛船振動(dòng)試驗(yàn)使用要求。

3)試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)為純鋁盆形整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)半圓壓環(huán)通過(guò)120個(gè)M14螺栓將產(chǎn)品與試驗(yàn)夾具緊回連接。

4)加強(qiáng)臺(tái)面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)加強(qiáng)臺(tái)面的使用提高了水平滑臺(tái)的剛度，避免了滑臺(tái)卡死現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5)特征性檢驗(yàn)技術(shù)

比和響應(yīng)時(shí)域數(shù)據(jù)，采用響應(yīng)點(diǎn)時(shí)間歷程的故障診斷和特征性檢驗(yàn)技術(shù)，判斷飛船對(duì)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性。

6)噪聲試驗(yàn)技術(shù)

采用2163 m3混響室完成聲試驗(yàn)，新建的混響室系統(tǒng)，適應(yīng)了國(guó)際混響室建設(shè)的發(fā)展潮流，包括混響室本體、汽源、聲源、聲控、測(cè)量等多個(gè)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為一大型的系統(tǒng)工程?；祉懯殷w積達(dá)到2163 m3，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型航天器混響聲試驗(yàn)的空白。

聲測(cè)量和加速度等響應(yīng)測(cè)量采用實(shí)時(shí)處理和分析系統(tǒng)，大大提高了分析能力和工作效率。聲譜低頻段模態(tài)密度較高，保證試驗(yàn)聲譜滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)譜要求，特別是滿(mǎn)足低頻段聲譜要求?？朔酝鶉?guó)內(nèi)中小型混響室出現(xiàn)的試驗(yàn)聲譜低頻段超差的缺陷。

利用多喇叭聲源匹配組合技術(shù)，充分發(fā)揮各喇叭以及各氣流調(diào)制聲發(fā)聲器的性能，使用先進(jìn)的高頻發(fā)聲器技術(shù)，大大提高了譜成型能力。

采用新的分頻技術(shù)、非線性技術(shù)、最佳步長(zhǎng)技術(shù)控制混響室聲場(chǎng)滿(mǎn)足各種飛行器的聲諧要求聲試驗(yàn)給出的試驗(yàn)條件要求混響室聲場(chǎng)必須滿(mǎn)足規(guī)定的總聲壓級(jí)和各頻段聲壓級(jí)大小和范圍。

7)模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)

神舟一號(hào)整船模態(tài)試驗(yàn)是首次大型航天器整船級(jí)的模態(tài)試驗(yàn)，如圖3所示。整船級(jí)試驗(yàn)采用了多點(diǎn)隨機(jī)和多點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)兩種試驗(yàn)技術(shù)，多點(diǎn)隨機(jī)激勵(lì)試驗(yàn)技術(shù)，得出飛船橫向彎曲扭轉(zhuǎn)的模態(tài)參數(shù)；而對(duì)于縱向垂直方向的模態(tài)參數(shù)用捶擊法來(lái)獲得；同時(shí)采用測(cè)量自由衰減時(shí)間歷程的技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的阻尼進(jìn)行了檢驗(yàn)。

試驗(yàn)采用多點(diǎn)激勵(lì)技術(shù)，一點(diǎn)在飛船I象限正向，方向指向軸心，y向激勵(lì)；另一點(diǎn)在飛船III、W象限之間，與IV象限夾角約為30°位置，z向激勵(lì)。

試驗(yàn)激勵(lì)信號(hào)力譜為平直譜，頻率帶寬為100 Hz，頻率分辨率為0.04 Hz，激振量級(jí)在40 N左右。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集力和加速度時(shí)間歷程進(jìn)行加Hanning窗預(yù)處理，同時(shí)以低分辨率(Δf=0.24 Hz)計(jì)算互功率譜密度。試驗(yàn)后，用高分辨率(Δf=0.015 Hz)，對(duì)時(shí)域數(shù)據(jù)回放，求出互功率譜估計(jì)和自功率譜密度。

結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識(shí)稀疏模態(tài)情況采用圓擬合法和最小二乘復(fù)指數(shù)法(LSCE)，密模態(tài)情況采用多參考點(diǎn)復(fù)指數(shù)法(PRCE)。

本次試驗(yàn)主要采用PRCE法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識(shí)，以LSCE法進(jìn)行參考比較。自由衰減時(shí)間歷程的阻尼測(cè)量采用正弦定頻激勵(lì)，頻率為所要測(cè)的某階共振頻率，待系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定后，停止激勵(lì)輸入，測(cè)加速度響應(yīng)衰減時(shí)間歷程。

8)測(cè)量技術(shù)

試驗(yàn)獲取了整船結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，暴露飛船材料元器件和工藝等方面的缺陷，檢驗(yàn)了飛船經(jīng)受振動(dòng)、噪聲環(huán)境的能力。該試驗(yàn)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

(1)模態(tài)試驗(yàn)采用了MIMO試驗(yàn)技術(shù)，采用的多種分析模型，采用時(shí)域記錄高分辨率(0.015 Hz)數(shù)據(jù)回放技術(shù)，模態(tài)分析應(yīng)用了LSCE、GLOBALF&D法、PRCE多種辨識(shí)方法，提高了辨識(shí)精度，完成了密模態(tài)的有效辨識(shí)。

(2)如采用自行研制的混響室完成了聲試驗(yàn)，該混響室是亞洲最大并達(dá)到國(guó)際同類(lèi)設(shè)備先進(jìn)水平，采用了多喇叭匹配組合，分頻等技術(shù)，采用氣浮支撐的方案，采用了自動(dòng)均衡非線性的最佳步長(zhǎng)控制技術(shù)，控制精度高。

(3)振動(dòng)試驗(yàn)首次使用了國(guó)內(nèi)最大的40 t雙振動(dòng)設(shè)備，采用了電流反饋相位同步技術(shù)，多點(diǎn)平均多點(diǎn)響應(yīng)限幅控制技術(shù)，采用加強(qiáng)臺(tái)面技術(shù)避免了振動(dòng)臺(tái)卡死現(xiàn)象，采用響應(yīng)點(diǎn)時(shí)間歷程的故障診斷及特征性檢驗(yàn)技術(shù)，判斷飛船對(duì)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性。

(4)采用了多通道、大容量實(shí)時(shí)記錄和分析技術(shù)

試驗(yàn)為中國(guó)首次載人航天工程首次試驗(yàn)發(fā)射成功起到了關(guān)鍵作用，提高了國(guó)家綜合國(guó)力，具有重大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。模態(tài)試驗(yàn)采用了MIMO技術(shù)，采用的多種分析模型，采用時(shí)域記錄高分辨率(0.015 Hz)數(shù)據(jù)回放技術(shù)，完成了密模態(tài)的有效辨識(shí)。如采用自行研制的混響室完成了聲試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)首次使用了國(guó)內(nèi)最大的40 t雙振動(dòng)臺(tái)；采用了多通道、大容量實(shí)時(shí)記錄和分析技術(shù)，這些技術(shù)在當(dāng)時(shí)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

大通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 大通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)Fig.4 Data acquisition system

2 第二階段力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)(空間站)

2.1 1400 kN振動(dòng)臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 型號(hào)需求

2010年921三期載人空間站工程正式立項(xiàng)。按照空間站的研制流程，空間站各航天器在發(fā)射前，需要開(kāi)展相關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證工作，力學(xué)環(huán)境是航天器環(huán)境工程的重要組成部分。資料表明，航天器上天后30%～60%的故障是由于力學(xué)環(huán)境引起的，為保證航天任務(wù)特別是載人航天任務(wù)的圓滿(mǎn)成功，必須在地面對(duì)其進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證并研制配套的試驗(yàn)系統(tǒng)。如歐洲空間研究與技術(shù)中心(ESTEC)研制了最大推力640 kN，臺(tái)面尺寸3 m×3 m，靜承載10 t的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，美國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)等也都研制了相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)以空間站核心艙為代表的大型航天器，其產(chǎn)品規(guī)模大、技術(shù)指標(biāo)高，其中單艙質(zhì)量超過(guò)22 t，高度超過(guò)16 m，艙段結(jié)構(gòu)最大直徑超過(guò)4.2 m，試驗(yàn)頻率2～100 Hz，水平向需要的正弦推力為600 kN，垂直向所需正弦推力1200 kN?；趪?guó)外大型振動(dòng)臺(tái)建設(shè)的充分調(diào)研并結(jié)合我國(guó)具體國(guó)情，堅(jiān)持獨(dú)立自主建設(shè)的主導(dǎo)思想，511所自主研發(fā)歷經(jīng)多年，研制了滿(mǎn)足空間站建設(shè)及后續(xù)型號(hào)發(fā)展需要的超大型垂直、水平振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)是垂直推力1400 kN，水平推力700 kN的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，以解決空間站等大型航天器產(chǎn)品振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性無(wú)法有效驗(yàn)證的問(wèn)題，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)在用最大的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其性能滿(mǎn)足型號(hào)的試驗(yàn)需求。這將滿(mǎn)足空間站產(chǎn)品地面試驗(yàn)驗(yàn)證，充分暴露設(shè)計(jì)和制造缺陷，為型號(hào)發(fā)射暴露隱患，奠定以空間站為代表的大型航天器的總體設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)基礎(chǔ)，提高產(chǎn)品的可靠性，確保航天任務(wù)的圓滿(mǎn)成功。

2.1.2 主要技術(shù)指標(biāo)及主要貢獻(xiàn)

1400 kN多臺(tái)并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)是為滿(mǎn)足載人空間站等大型航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證需求研制的世界上組合推力最大的電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，由1400 kN推力垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和700 kN推力水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)組成。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 1400 kN多臺(tái)并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)指標(biāo)Table 1 Index of 1400kN vibration exciter

主要貢獻(xiàn)如下。

(1)根據(jù)空間站的試驗(yàn)需求和國(guó)內(nèi)激振器的能力，垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)推力設(shè)計(jì)為1400 kN，水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)推力為700 kN。依據(jù)北京航天城400 kN推力振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)，垂直和水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)為兩套相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)一方面可降低設(shè)備故障的概率，使系統(tǒng)的可靠性大幅提高，另一方面減去了設(shè)備反復(fù)拆卸和調(diào)試的時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。設(shè)計(jì)中突破了多臺(tái)同步并聯(lián)激勵(lì)垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了振動(dòng)臺(tái)相位同步補(bǔ)償技術(shù)，保證了試驗(yàn)系統(tǒng)的最大輸出能力達(dá)到了1400 kN。已完成空間站產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 空間站核心艙試驗(yàn)Fig.5 Testing of core module of space station

1400 kN推力垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)由振動(dòng)臺(tái)、垂直擴(kuò)展臺(tái)面、擴(kuò)展臺(tái)導(dǎo)向軸承等系統(tǒng)組成(圖6)，提出了整體式輕質(zhì)高剛度的擴(kuò)展臺(tái)面構(gòu)型，設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定性自適應(yīng)集成導(dǎo)向支撐系統(tǒng)，保證了臺(tái)面響應(yīng)的一致性，實(shí)現(xiàn)了355 kNm的抗傾覆力矩。

圖6 垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)組成圖Fig.6 Vertical vibration exciting system

700 kN水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)首次提出并設(shè)計(jì)了組合式水平滑臺(tái)構(gòu)型(圖7)，實(shí)現(xiàn)水平向抗傾覆力矩4000 kNm。

圖7 水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)組成圖Fig.7 Horizontal vibration exciting system of shaker

(2)多振動(dòng)臺(tái)同步并激技術(shù)

如何協(xié)調(diào)多個(gè)振動(dòng)臺(tái)并激振動(dòng)時(shí)彼此運(yùn)動(dòng)同步是該試驗(yàn)系統(tǒng)研制的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。目前多臺(tái)并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)一般采用數(shù)字式相位同步控制器。由于數(shù)字式相位同步控制器形成的小閉環(huán)控制環(huán)路嵌入在振動(dòng)控制器形成的大閉環(huán)控制環(huán)路中，因此試驗(yàn)系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件是相位同步控制器的閉環(huán)時(shí)間小于振動(dòng)控制器的閉環(huán)時(shí)間，否則會(huì)出現(xiàn)相位控制異常，導(dǎo)致系統(tǒng)推力損失、嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備或航天器產(chǎn)品損壞。

提出的基于相位同步補(bǔ)償技術(shù)，從而保證垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)激振器輸出推力達(dá)到1400 kN，水平試驗(yàn)系統(tǒng)輸出推力可達(dá)700 kN。

(3)垂直擴(kuò)展臺(tái)面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

垂直擴(kuò)展臺(tái)面是垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部件之一，臺(tái)面底部與激振器連接，上面提供試驗(yàn)產(chǎn)品或振動(dòng)試驗(yàn)工裝的接口，臺(tái)面的特性直接影響推力的傳遞和試驗(yàn)的效果，本項(xiàng)目垂直擴(kuò)展臺(tái)面由于尺寸很大，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，整體式擴(kuò)展臺(tái)面構(gòu)型和分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法方案，解決了4.6 m×4.6 m擴(kuò)展臺(tái)面質(zhì)量輕剛度高的難題，實(shí)現(xiàn)了大型振動(dòng)臺(tái)面輕質(zhì)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)保證了臺(tái)面的均勻性。

(4)大型鎂合金擴(kuò)展臺(tái)面焊接加工工藝

為了減輕質(zhì)量，擴(kuò)展臺(tái)面采用比強(qiáng)度大、比剛度大、阻尼大的鎂合金，在不影響其它特性的情況下更好地減小系統(tǒng)的推力損失。

(5)大型振動(dòng)試驗(yàn)健康監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)

針對(duì)多臺(tái)并激大型振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備繁多，且設(shè)備分布相對(duì)分散的問(wèn)題，首次提出了模塊組網(wǎng)式健康監(jiān)測(cè)方法，采用圖8的架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，研制了一套大型振動(dòng)試驗(yàn)健康監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)105個(gè)關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。

圖8 健康監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.8 Health monitoring and protection system

2.1.3 應(yīng)用價(jià)值

多臺(tái)并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)主要有法國(guó)的640 kN振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，韓國(guó)的480 kN振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)以及航天三院三部的600 kN振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型設(shè)備的對(duì)比分析中，該套試驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型的多臺(tái)并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

振動(dòng)環(huán)境是航天器、飛行器、船舶、火車(chē)等產(chǎn)品所經(jīng)歷的最?lèi)毫拥膭?dòng)力學(xué)環(huán)境之一，在產(chǎn)品的研制和驗(yàn)收階段一般都要通過(guò)振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性能力。本項(xiàng)目攻克了大型振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)研制的關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了1400 kN推力垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和700 kN推力水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)建成后，圓滿(mǎn)完成了空間站核心艙小柱段、大柱段和整艙的多次振動(dòng)試驗(yàn)，后續(xù)將仍為新一代飛船、空間站以及深空探測(cè)等大型航天器的研制發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

同時(shí)在導(dǎo)彈武器、航空、船舶、鐵路等行業(yè)，也存在大型產(chǎn)品振動(dòng)試驗(yàn)需求，該系統(tǒng)可提供試驗(yàn)技術(shù)保障，有著廣泛的應(yīng)用前景、具有重大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和軍事效益。

本項(xiàng)目在研制過(guò)程中掌握了大型多臺(tái)并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，可為后續(xù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)項(xiàng)目的建設(shè)提供技術(shù)服務(wù)。

隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，本項(xiàng)目研制的1400 kN振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和項(xiàng)目研制中掌握的技術(shù)會(huì)有更多的應(yīng)用需求，也將產(chǎn)生越來(lái)越多的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

2.2 空間站試驗(yàn)技術(shù)

截至之2022年8月，應(yīng)用新建造的天津AIT力學(xué)試驗(yàn)中心，先后完成了核心艙艙段、整艙初樣力學(xué)試驗(yàn)，包括振動(dòng)、噪聲、模態(tài)、試驗(yàn)、問(wèn)天一號(hào)試驗(yàn)艙艙段、整艙力學(xué)試驗(yàn)等幾十余次超大型試驗(yàn)，驗(yàn)證了1400 t振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)、4000 m3噪聲試驗(yàn)系統(tǒng)、模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)可行性、性能的可靠性，用行動(dòng)說(shuō)明完全可以擔(dān)負(fù)著未來(lái)我國(guó)超大航天器的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)重任，為中國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展起到了技術(shù)支撐及保障。

典型試驗(yàn)如下。

1)天和一號(hào)小組合段半驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)

此次試驗(yàn)的意義在于本次試驗(yàn)是天津振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)建造后的第一次正式試驗(yàn)，也是對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)性能的及工裝接口的驗(yàn)證，因此，試驗(yàn)前對(duì)將振動(dòng)工裝與小組合體模擬件組裝后進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，振動(dòng)工裝剛度、強(qiáng)度特性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與使用要求。對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的各分系統(tǒng)的狀態(tài)是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2016年1月11日至1月21日，利用天津AIT中心力學(xué)試驗(yàn)大廳的70 t水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和140 t垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)完成了天和一號(hào)小組合段X、Y、Z三個(gè)方向半驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)?？刂萍虞d正確，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果完整有效，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康?/p>

天和一號(hào)小組合段試驗(yàn)?zāi)康臑楂@取小組合段的動(dòng)力學(xué)特性、修正振動(dòng)預(yù)示分析的仿真模型，同時(shí)提前識(shí)別結(jié)構(gòu)及總裝設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，在小組合段正式正弦振動(dòng)試驗(yàn)前落實(shí)改進(jìn)措施，對(duì)地面振動(dòng)試驗(yàn)工裝以及試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)接口進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步試驗(yàn)流程、協(xié)調(diào)程序進(jìn)行匹配性驗(yàn)證。

2)天和一號(hào)大組合段正弦振動(dòng)試驗(yàn)

此次試驗(yàn)的設(shè)計(jì)了新型的試驗(yàn)工裝，設(shè)計(jì)投產(chǎn)的大柱段接口專(zhuān)用工裝，包括：大柱段振動(dòng)工裝和外導(dǎo)向桿。大柱段振動(dòng)試驗(yàn)夾具主體設(shè)計(jì)為倒錐形，采用鑄鋁材料，與試驗(yàn)件對(duì)接面有Φ4100處144×M10螺紋孔。外側(cè)壁上下板間有32個(gè)加強(qiáng)筋，厚度70 mm。干涉區(qū)域側(cè)邊已為工裝設(shè)計(jì)留有18 mm余量，夾具內(nèi)底面與干涉區(qū)域底面保持250 mm余量，夾具側(cè)面與干涉區(qū)域最小距離為22.5 mm。

2016年10月26日至10月31日，在天津AIT中心力學(xué)試驗(yàn)大廳的70 t水平振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和140 t垂直振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)完成了天和一號(hào)大組合段Y、Z、X三個(gè)方向正弦振動(dòng)試驗(yàn)。控制加載正確，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果完整有效，達(dá)到了試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝的合理性，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)、獲取推進(jìn)截錐、標(biāo)準(zhǔn)單元、大型CMG等大部件設(shè)備裝艙后動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性、獲取大組合段主結(jié)構(gòu)及內(nèi)部次級(jí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的目的。同時(shí)驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工裝的有效性，驗(yàn)證了試驗(yàn)件與工裝對(duì)接安裝的流程，驗(yàn)證了工裝設(shè)計(jì)及避讓的合理及有效性。

2.2.1 核心艙整器振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)

2016年11月21日至12月3日，天和一號(hào)整艙在天津AIT中心力學(xué)試驗(yàn)大廳完成了正弦振動(dòng)和噪聲試驗(yàn)。試驗(yàn)控制加載正確，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果完整有效，達(dá)到了考核核心艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝、考核核心艙結(jié)構(gòu)、總裝設(shè)計(jì)及上艙初樣產(chǎn)品適應(yīng)整艙振動(dòng)、噪聲環(huán)境的能力、獲取核心艙在加注和未加注兩種情況下結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力學(xué)特性為正樣研制力學(xué)環(huán)境要求的制定提供依據(jù)的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

典型試驗(yàn)狀態(tài)見(jiàn)圖9～11。

圖9 核心艙整艙噪聲試驗(yàn)Fig.9 Acoustic testing of core module of space station

圖10 核心艙整艙噪聲試驗(yàn)Fig.10 Acoustic testing of core module of space station

圖11 核心艙振動(dòng)試驗(yàn)Fig.11 Vibration testing of core module of space station

核心艙整艙正弦振動(dòng)試驗(yàn)將開(kāi)展加注狀態(tài)和空箱狀態(tài)X向、Y向和Z向三個(gè)方向試驗(yàn)，整艙加注狀態(tài)正弦振動(dòng)試驗(yàn)最大量級(jí)為鑒定級(jí)，空箱狀態(tài)正弦振動(dòng)試驗(yàn)最大量級(jí)為準(zhǔn)鑒定級(jí)。

試驗(yàn)順序?yàn)楹诵呐撜撜艺駝?dòng)試驗(yàn)分為貯箱加注模擬工質(zhì)狀態(tài)Y、Z、X三個(gè)方向的試驗(yàn)和貯箱空箱狀態(tài)X、Y、Z三個(gè)方向的試驗(yàn)。

試驗(yàn)順序?yàn)榧幼顟B(tài)整星噪聲試驗(yàn)按以下順序進(jìn)行：預(yù)試驗(yàn)→特征級(jí)試驗(yàn)→驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)→特征級(jí)試驗(yàn)→鑒定級(jí)試驗(yàn)→特征級(jí)試驗(yàn)。

空箱狀態(tài)整星噪聲試驗(yàn)按以下順序進(jìn)行：預(yù)試驗(yàn)→特征級(jí)試驗(yàn)→驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)→特征級(jí)試驗(yàn)→準(zhǔn)鑒定級(jí)試驗(yàn)→特征級(jí)試驗(yàn)。

核心艙整艙正弦振動(dòng)試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)的主要關(guān)鍵技術(shù)突破點(diǎn)如下。

(1)大組合段鑒定試驗(yàn)時(shí)電流已經(jīng)達(dá)到了近極限，由于本次試驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量更大，產(chǎn)品特性未知，驗(yàn)收級(jí)和鑒定級(jí)時(shí)估算電流可能會(huì)超功放滿(mǎn)負(fù)荷能力，試驗(yàn)中采取“力限”的控制方式，根據(jù)特征級(jí)試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性和功放電流曲線，進(jìn)而推斷其余量級(jí)可能的功放輸出電流大小，采用限電流的方式，作為總體制定下凹條件時(shí)的參考準(zhǔn)則之一，限制最大輸出，保護(hù)產(chǎn)品及振動(dòng)臺(tái)，避免試驗(yàn)中斷。

(2)本次噪聲試驗(yàn)高頻量級(jí)較高(2 kHz/138 dB；4 kHz/136 dB；8 kHz/134 dB)，試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)高頻聲發(fā)生器過(guò)流保護(hù)的問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)前充分調(diào)試，合理設(shè)置高低頻聲發(fā)生器的控制頻率范圍，試驗(yàn)中實(shí)時(shí)關(guān)注高頻聲發(fā)生器的狀態(tài)，必要時(shí)對(duì)功放輸出電流進(jìn)行限制。

(3)由于鑒定級(jí)試驗(yàn)時(shí)的驗(yàn)證了天津AIT中心力學(xué)試驗(yàn)大廳供電保障系統(tǒng)的能力。

2.2.2 核心艙模態(tài)試驗(yàn)

2018年09月15日至09月22日，在天津模態(tài)試驗(yàn)場(chǎng)地完成了核心艙整艙模態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置正確，結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果符合大綱要求，數(shù)據(jù)有效，驗(yàn)證合理，達(dá)到了預(yù)期的獲取核心艙結(jié)構(gòu)傳遞特性，獲取核心艙結(jié)構(gòu)主要頻率、模態(tài)陣型及模態(tài)阻尼比等模態(tài)參數(shù)、驗(yàn)證并修正結(jié)構(gòu)分析模型、驗(yàn)證整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

典型試驗(yàn)狀態(tài)如圖12所示。

圖12 核心艙整艙模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig.12 Modal testing of core module of space station

核心艙的整艙模態(tài)試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)突破如下。

(1)核心艙整艙總重超20 t，為大型航天器結(jié)構(gòu)，單點(diǎn)激勵(lì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的輸入能量不均勻，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別精度差。多點(diǎn)激勵(lì)可以克服單點(diǎn)激勵(lì)輸入能量不均的影響，同時(shí)對(duì)于耦合緊密的模態(tài)能夠很好的激勵(lì)出來(lái)，采用的多點(diǎn)激勵(lì)點(diǎn)在分析頻率內(nèi)的獲取結(jié)構(gòu)特性，試驗(yàn)時(shí)分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Y、Z、X三個(gè)方向的激勵(lì)及扭轉(zhuǎn)激勵(lì)，獲取完整的模態(tài)參數(shù)。

(2)模態(tài)試驗(yàn)時(shí)激勵(lì)信號(hào)采取了隨機(jī)激勵(lì)和正弦掃描兩種激勵(lì)方式相結(jié)合，以隨機(jī)激勵(lì)法為主，利用掃描正弦激勵(lì)法進(jìn)行復(fù)核。試驗(yàn)時(shí)隨機(jī)激勵(lì)頻率分辨率為0.01 Hz，步進(jìn)正弦激勵(lì)掃描頻率分辨率為0.01 Hz。分析頻率范圍為2～100 Hz。

(3)進(jìn)行了機(jī)械臂局部的模態(tài)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)詳細(xì)的獲取了機(jī)械臂在真實(shí)邊界條件下的特性，為在軌狀態(tài)的機(jī)械臂的工作提供了有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)航天歷經(jīng)30載，也是航天器力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的飛躍的30載，在此期間從引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的第一次突破到完全獨(dú)立自主研發(fā)的超大型試驗(yàn)設(shè)備，完成了空間站建造期間的試驗(yàn)任務(wù)的第二次跨越。未來(lái)還將承擔(dān)巡天航天器的高精度微振動(dòng)的試驗(yàn)任務(wù)和載人登月的地面試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)，仍然面臨著新技術(shù)的挑戰(zhàn)，有這30年的技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，定能不負(fù)期望，挑起重任，中國(guó)航天任重道遠(yuǎn)，永遠(yuǎn)在路上。

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