基于准静态载荷的航天器系统级正弦振动试验力限条件

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1、第30卷第1期航天器环境工程2013年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING63基于准静态载荷的航天器系统级正弦振动试验力限条件邹元杰1，韩增尧2，刘绍奎1，岳志勇3李正举4(1．北京空间飞行器总体设计部；2．中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室；3．北京卫星环境工程研究所；4．中国空间技术研究院通信卫星事业部：北京100094)摘要：以运载火箭研制方提供的准静态载荷为依据，提出了改进的航天器系统级正弦振动试验力限条件，并结合典型算例与目前采用的传统力限条件进行了对比研究。研究表明：改进的力(矩)限条件及相应的加速度下凹条件剔除了对界面合力(矩)无

2、影响的过载项，物理概念更为清楚，计算方法更为合理；改进后的力限或加速度条件明显低于传统的试验条件，有利于减少航天器系统级试验中的过试验现象。关键词：航天器；正弦振动；系统级试验；力限条件；准静态载荷中图分类号：V416．2：V416．6文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)01—0063-05DOI：10．3969／j．issn．1673—1379．2013．01．01lO引青为了考核航天器结构的环境适应性，通常需要开展地面振动试验，其中针对低频动力学环境要进行系统级正弦振动试验。在制定加速度试验条件时，受试验或分析数据的随机性以及振动台控制能力的限制，必须对试验

3、或分析数据进行光滑包络处理。包络线方法会使试验条件在某些频段高于真实情况，从而导致过试验【l。3j。此外，通常开展的单轴振动试验与实际飞行运动状态有很大不同，尤其是对于横向振动来说，由于忽略转角运动，因而天地差异较大，这也是横向振动过试验的原因之一【4j。从国内外的研究情况看，采用力限控制技术可以有效地降低过试验的程度。国外在20世纪已经在航天器型号研制中大量应用力限试验技术。我国在“十五”、“十一五”期间开展了力限试验技术研究，目前已经掌握了力限试验控制和测量技术【5‘8】，但力限条件如何确定仍然是难点。相关部门在力限条件方面开展了大量的研究工作【9‘121，但绝大多数是针对随

4、机振动试验，正弦振动力限条件研究尚不多见。本文以运载火箭研制方提供的准静态载荷为依据，从目前航天器型号所采用的正弦振动力限试验条件出发，针对其存在的不足，提出改进的力限试验条件设计方法，并结合具体算例与传统的力限条件进行了对比分析。1传统力限试验条件的确定目前型号的力限试验条件制定方法主要延续了过去加速度下凹的思路和方法，因此，本文首先对此进行介绍。传统加速度试验条件下凹方法的出发点是以运载火箭用户手册提供的航天器质心处准静态载荷确定加速度下凹量级。航天器既要承受由于火箭推力而产生的静态加速度，也要承受由于推力变化、外界干扰等因素而产生的动态加速度。准静态载荷包含了静态加速度和动

5、态加速度两部分的影响，是航天器在发射阶段可能承受的最大载荷。传统的加速度条件下凹控制准则为：一，试验中主结构受力不大于静载条件下的主结构受力；二，振动量级不小于星箭耦合分析结果的1．25倍(本文暂不考虑准则二)。为了应用准则一，首先要分析主结构在准静态载荷下的受力情况。以常见的圆形星箭对接面为例，假定星箭对接面为圆环，且圆环的厚度远小于对接面半径，则在静力工况下航天器根部单位周长上的最大支反力为【I}14J收稿日期：2012．10．08；修回日期：2012．12．03基金项目：国防973资助项目(编号：613133)作者简介：邹元杰(1976一)，男，博士学位，高级工程师，研究方

6、向为航天器结构动力学。E-mail：zyuanjie@yahoo．com．cn。航天器环境工程第30卷五一=旦OAS-+-27rROAS-+-等％，(1)^一2一紊％’u’式中：M为航天器的质量；R为星箭对接面半径；鼠为航天器的质心高度(相对于对接面)；aAs、aLs分别为纵向和横向的准静态过载加速度。方程(1)右端第一项和第二项分别为纵向(即轴向)和横向的静过载作用下根部的最大支反力。实际计算时，需要针对航天器不同工况的纵向、横向静过载加速度值分别计算，求得最大支反力。在振动试验中，纵向和横向振动时航天器根部单位周长的最大支反力(本文不计重力产生的部分)分别为氏。=以羔¨(2)

7、缸邓。警即(3)式中：以、尻分别为纵向振动和横向振动时结构根部最大支反力放大系数，该系数由航天器自身特性决定；aA、aL分别为纵向和横向振动加速度试验条件。如果将下凹准则一理解为航天器振动试验中根部最大支反力不大于静载下的最大值，即．‰。≤厶一，五。。≤砖。。，则转换得到加速度下凹条件：aA<去‰。+睾叫，(4)aL≤去c盒aA—J。㈣≤瓦‘瓦s+口。s)。㈣在确定加速度下凹条件时，首先要给出最大支反力的放大系数。一般根据整星低量级(如特征级)振动试验(通常为5～100Hz)和低