航天器动力学环境分类与数学描述研究

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1、航天器动力学环境分类与数学描述研究吴永亮1李小龙1高甲2刘畅1(1航天标准化与产品保证研究院，北京，100071；2北京空间飞行器总体设计部，北京，100094)※文摘：结合航天器动力学环境的主要技术背景和我国航天型号研制的实际情况，通过分析研究美国宇航局标准NASA—HDBK一7005《动力学环境准则》，介绍航天动力学环境的主要分类以及描述方法．阐释航天动力学环境冲击响应谱的计算力学系统及其相关标准的应用。关键词：航天器；动力学环境；冲击响应谱；数学描述。※本文源于基金项目：国家国防科工局技术基础科研课题《航

2、天器环境试验基线与剪裁技术》(JSJC20132038002)。1航天器动力学环境概述卫星与运载火箭作为体现航天技术发展的主要载体，其研制、发射和运行是一项庞大的系统工程．从制造到完成任务过程中涉及的动力学环境问题十分重要，从设计、试验、飞行到改进都与之有直接的关系。动力学环境分析方法及试验技术的正确性与合理性直接影响着卫星与运载火箭的设计水平．甚至决定着航天任务的成败ll-引。卫星与运载火箭(简称火箭)在全寿命周期经受的环境并不完全相同。卫星在制造总装、地面运输、发射入轨、在轨运行以至主动返回等阶段要分别经历

3、复杂的地面总装环境、地面试验环境、地面运输环境、发射环境、空间环境和返回环境，这些环境统称为卫星环境．火箭由于其主动段发射任务完成后即告任务终止．因此其环境因素一般只涉及总装、试验、运输和主动段发射等几个阶段。力学环境是卫星环境和火箭环境的重要组成部分，它是指卫星和火箭产品所经受的振动、冲击、噪声、加速度和微重力等环境。力学环境又可分为静力学环境和动力学环境。静力学环境主一4一要是指卫星与火箭经历的准静态环境．如发射段的准静态加速度过载、卫星发动机在轨工作过程中引起的整星过载、返回式卫星在返回减速过程中承受的过

4、载等。动力学环境则是指能够产生时变扰动激励(亦称外力函数或动力载荷)的所有现象．这些扰动激励直接或间接施加在火箭和卫星及其部组件上。如整流罩内的声环境、卫星与火箭对接面上的随机振动环境、火箭级间分离产生的瞬态振动环境、星箭分离时包带解锁引起的冲击环境等。由于航天飞行器对重量的要求比较苛刻．其设计都需要从质量角度上考虑，由此产生了诸多问题．而引起这些问题的原因是动力学环境，因此，必须正确认识运载火箭、航天器及其它飞行器在执行任务过程中的动力学环境【3-引。2航天动力学环境分类[罚航天动力学环境包括所有作用在航天飞

5、行器及其组件上的产生各种动激励的现象．动激励也称为“力函数”或“动载荷”。这些激励可以是施加的外力也可以是一种运动输入．它们既可以由内部产生也可能由外部诱发。《航天标准．f15》2017年第3期应差篷壁左兰垣蕴左耋皇踅兰蕴丛理蕴：差丞应奎丛虚』应钽笠a)内部产生的激励：转动部件的不平衡、机构运行、硬件装配的不对中、组件中的磁力和气动力或流体动力、贮箱内推进剂液体的晃动、动力供给或需求不平衡造成的扭矩变化量等产生的激励。内部激励是与组件的特定设计以及其具体功能紧密联系的．b)外部产生的激励：装卸、运输、发射、上升

6、、空间作业、进入行星(包括地球)大气及着陆等过程中产生的激励．关于卫星与运载火箭动力学环境并没有一个严格的分类标准。为了便于数据分析及简化试验流程．可将动力学环境分为确定性的、随机性的或二者皆有的：根据动力学环境的特点也可将其分为稳态、非稳态和瞬态：按照频率范围可分为：类周期振动环境、瞬态环境(低频瞬态环境和高频瞬态环境)、随机振动环境、声环境等⋯。2．1确定性动力学环境确定性动力学环境是指每当处于此环境条件时，能够产生具有相同时间历程的激励。即：在任意时刻t．在允许的试验误差范围内．激励的瞬时值都是可以通过前

7、一时间对激励的测量值来确定的。确定性动力学环境通常是比较易于理解、易于描述的物理过程．常使用确定性方法来描述和预示这些激励以及由这种环境因素产生的响应。可以在数学上将确定性环境因素描述为一个时间的函数戈(t)，它是一个周期或非周期(瞬态)的时间历程信号，如图1所示。此外，函数戈(t)的傅立叶变化x(厂)可以用来描述确定性动力学环境在频域上的表现。2．2随机性动力学环境随机性动力学环境是指每当处于此环境条件时．用来描述环境因素的时间历程信号的统计学特征(如均值和标准偏差)是不变的．而特定时刻的信号值是不一样的。即

8、：在特定时刻t．信号值是无法通过前一环境因素的测量值获得．例如管中高速气流产生的气动噪声。一般来说．动力学环境通常是由确定性部分和随机性部分组成。图2(a)是纯随机环境产生的随机信号示例；图2(b)是周期(确定性的)与随机环境因素共同作用而产生的信号示例。该信号中的周期性部分如图1(a)所示。《航天标准彳匕}2017年第3期瞬时值时间(1))瞬态信号习1周期信号和瞬态确定信号惝榔州图2