[科普中国]-航天器力学环境试验

航天器力学环境试验是指用于验证航天器部组件、分系统和系统在预计的静、动力环境作用下的结构完好性和环境适战性的试验。

简介航天器力学环境试验是指用于验证航天器部组件、分系统和系统在预计的静、动力环境作用下的结构完好性和环境适战性的试验。

航天器在发射上升段、轨道段和再入段的整个任务剖面上，经受各种严酷的静、动学环境的价用。所受的力学环境属上诱导环境，它们的类型和性质密切地与运载器、航天器的运动参数和结构小学的特性有关。

静力试验静力环境主要是由小发射上升段加速和再入段减返引起的准静态力学环境。这类环境将引起结构完好性破坏(或永久变形)和航天器所载机电设备性能变化。严酷的周期振动、随机振动和瞬态冲击等动力学环境主要是发动机推力脉功、地面输射噪声、气动噪声以及发动机点火、关机、级间分离、航天器与运载火箭分离和附件展开等引起的瞬态过载，通过结构传递能造成结构过应力或疲劳破坏，导致结构完好性破坏或造成航天器所载机电设备性能降低、故障或失效。静力学环境试验主要有静力试验和恒加速度试验两项。静力试验用于在初样阶段测定航天器主结构或承力构件的强度、刚度、稳定性以及应力、应变分布，验证结构强度与静力分析的正确性。恒加速度试验用于验证航天器所载机电设备是否经得住过载环境的作用。

动力学试验动力学环境试验主要有振动试验、声试验和冲击试验等。其中振动试验还可分为扫描正弦振动试验和随机振动试验；冲出试验可分为典型冲出试验、冲击谱试验和分离冲击试验。初样阶段还应进行的模态试验，辨识结构的固有动态特性(如频率、阻尼比和振型等)，用于验证和修改航天器结钩有限元模型。

国外研究现状美国是开展试验评价比较早的国家.提出试验评价不仅能鉴别产品的性能,而且能帮助开发者发现并修正早期缺陷"。项目决策者根据试验评价给出的系统性能结果,判定产品成熟度并决定是否进入下一步开发;用户根据试验评价过程给出的数据,能够知道在开发过程中系统的性能,并为验收做准备。

在系统开发过程中，试验评价的最基本目的是减少或消除潜在的风险。在开发的早期阶段,试验评价包括展示方案可行性、评估设计风险，鉴别多种设计替代选择、比较分析、评估可执行需求的满足度。在系统设计开发阶段，试验评价从开发测试验证( DT&E)到逐渐复杂的执行测试验证(OT&E)之间反复迭代。开发测试验证(DT&E)主要关注工程设计目标的达成度，而执行测试验证(OT&E)重点关注执行效率、适合度以及耐受性等问题。

在实际试验项目上开展多种类型的试验。包括试验评价类型、试验评价发展、可执行的试验评价、多服务试验评价、联合试验评价现场火工测试等。

故障诊断技术基于振动传感器的试验数据,依靠故障诊断技术，可以尽早识别航天器产品的结构隐患，提高航天器产品的在轨可靠性，因此故障诊断技术是航天器力学试验评价技术的主要途径。

美国一直非常重视航天器故障诊断技术。是最早开展故障诊断研究的国家。Rogers 等利用传感器的信息和历史数据库，开发了一个实时的故障诊断系统，对航天飞机的主发动机进行故障诊断。欧洲在航天器故障诊断技术方面也进行了研究，开发了一些实用的故障诊断系统。在运载火箭方面，德国的Matjevic在20世纪90年代初就开发了基于模式识别的故障诊断系统，用来对液体火箭发动机进行故障诊断。法国的Delange等也研究了一种用于Ariane—V火箭发动机的检测系统。

为了暴露航天器产品在材料、工艺和质量方面的缺陷，根据美国航天部门的统计，试验的成本最高可占整个研制成本的35%，如果试验设计不合理出现过试验或者欠试验，会带来更大的经济损失。试验标准对于航天器产品研制不同阶段应该进行的试验和试验量级有比较明确的规定，但是不同部门制定的标准略有区别。

发展方向航天器动力学试验评价技术已经取得了一定的成果，但还远没有达到要求，在动力学评价体系、试验效应、测量与分析、动力学环境试验产品评价方面，可逐步开展如下几方面的工作。

1)深入分析试验环境效应的影响。对结构完整性破坏、工艺故障及功能失效力学试验效应进行深入研究，深人分析力学效应产生的原因，对航天器产生的影响，为改进试验设计、评价航天器提供参考。

2)对测量技术进行改进和深入。对于加速度、应变、声压测量已经具备较完善的技术；对于位移测量，力测量还需要进行深入和提高,采取新方法或新技术。

3)开展新分析技术的研究。对于验证结构设计和分析模型正确性，已采用频谱对比分析技术；后续可开展声波检测，同时结合较新的故障信号处理技术，用于航天器故障诊断。同时可以引进先进的传感技术。光纤传感器是近几十年来迅速发展起来的一种新型传感器，与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下特点：抗电磁干扰，电绝缘、耐腐蚀等；精度高、光纤传感器的精度普遍优于普通传感器；质量轻、体积小、可挠曲，可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器，有利于航空航天以及狭窄空间的应用；可实现分布式测量，是光纤传感技术中最具前途的技术之一，是光纤传感监测技术的发展趋势。

4)航天器系统级振动试验评价演示验证系统研制。基于航天器系统级振动试验评价准则和故障诊断分析技术研究，以评价准则为内核，结合故障诊断技术，将航天器系统级振动试验数据和结构模型数据作为输入，在振动试验后能够快速获取对航天器结构系统的评价信息，形成可视化便利性、具备产品评价功能的演示验证系统。

在具备了基于动力学试验评价技术成熟之后，根据未来发展的需要，可考虑逐步将航天器评价工作渗透到动力学环境及环境条件的制定结构设计、模型分析、试验设计等各项内容中1。

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学