[科普中国]-航天器振动

简介

航天器在运载火箭飞行主动段经历的动力学环境主要有振动、噪声和冲击,它们激起的振动响应可能引起结构破坏,局部失稳,承力件出现断裂;对振动敏感的组件,如陀螺、动量轮、火工品、导管、电子元器件及某些电子设备可能引起指标漂移、工作失效等故障,具有高结构系数的结构将产生高达几十个g均方根值的声振响应1。

背景动力学环境试验是航天器卫星环境工程的重要组成部分，与航天器在轨道飞行中所受的各种空间环境相比，主要由振动环境构成的动力学环境有着完全不同的特点。在航天器的地面鉴定过程中，振动试验起着至关重要的作用。通常都由航天器的可靠性研究部门提出试验条件和要求，然后由力学试验部门承担并完成这类试验。

许多试验部门实际采用的振动试验方法一般都是单轴向的正弦振动试验，以便鉴定结构或附件承受低频发射环境的能力。

航天器振动试验航天器振动试验就是要通过振动环境模拟试验设备模拟产品经受的振动环境。目前主要方法就是使用电动振动台、控制系统、加速度传感器和其它辅助设备组成的振动试验设备模拟加速度环境，根据控制条件的要求，控制信号可以是正弦信号、随机信号或是瞬态信号。

振动试验时采用力控就是在试验时测量并控制试件与台面夹具之间的激励力，实现信号源-功率放大器-振动台的输出之间的闭环控制，产生“力控制谱”。理论和实践证明，力控振动试验在低频段可以消除由加速度包络规范造成的“过试验（Over-testing）”，使环境试验更接近真实的主动段飞行载荷条件。用传统的加速度控制规范做航天器振动试验时，在航天器结构的低阶固有频率处，台面阻抗将趋于无限大，航天器结构与振动台之间的界面力可能达到十分危险的值，有时能达到正常响应值的数千倍，从而使结构受损2。

加速度控制的基本原理振动控制系统用来产生振动信号和控制振动两级的大小，目前航天器试验采用的都是数字控制仪。基本原理是反馈，利用计算机产生的数字信号经数模转换器（D/A）变换为连续的模拟信号输出到振动台的功率放大器，放大后驱动振动台振动，再由振动台或试验产品上的加速度传感器测到振动信号经转换、放大、滤波等处理后经模数（A/D）变换为数字信号进入计算机。计算机控制程序将输入的振动信号与初始的控制条件参考信号进行比较，不断自动修正输出的驱动信号，直到试验结束。