太空飛行器力學環境試驗是指用於驗證太空飛行器部組件、分系統和系統在預計的靜、動力環境作用下的結構完好性和環境適戰性的試驗。
基本介紹
- 中文名：太空飛行器力學環境試驗
- 外文名：mechanical environment lest for spacecraft
- 學科：航空工程
- 領域：工程技術
簡介,靜力試驗,動力學試驗,國外研究現狀,故障診斷技術,發展方向,
簡介
太空飛行器力學環境試驗是指用於驗證太空飛行器部組件、分系統和系統在預計的靜、動力環境作用下的結構完好性和環境適戰性的試驗。
太空飛行器在發射上升段、軌道段和再入段的整個任務剖面上，經受各種嚴酷的靜、動學環境的價用。所受的力學環境屬上誘導環境，它們的類型和性質密切地與運載器、太空飛行器的運動參數和結構國小的特性有關。
靜力試驗
靜力環境主要是由小發射上升段加速和再入段減返引起的準靜態力學環境。這類環境將引起結構完好性破壞(或永久變形)和太空飛行器所載機電設備性能變化。嚴酷的周期振動、隨機振動和瞬態衝擊等動力學環境主要是發動機推力脈功、地面輸射噪聲、氣動噪聲以及發動機點火、關機、級間分離、太空飛行器與運載火箭分離和附屬檔案展開等引起的瞬態過載，通過結構傳遞能造成結構過應力或疲勞破壞，導致結構完好性破壞或造成太空飛行器所載機電設備性能降低、故障或失效。靜力學環境試驗主要有靜力試驗和恆加速度試驗兩項。靜力試驗用於在初樣階段測定太空飛行器主結構或承力構件的強度、剛度、穩定性以及應力、應變分布，驗證結構強度與靜力分析的正確性。恆加速度試驗用於驗證太空飛行器所載機電設備是否經得住過載環境的作用。
動力學試驗
動力學環境試驗主要有振動試驗、聲試驗和衝擊試驗等。其中振動試驗還可分為掃描正弦振動試驗和隨機振動試驗；衝出試驗可分為典型衝出試驗、衝擊譜試驗和分離衝擊試驗。初樣階段還應進行的模態試驗，辨識結構的固有動態特性(如頻率、阻尼比和振型等)，用於驗證和修改太空飛行器結鉤有限元模型。
國外研究現狀
美國是開展試驗評價比較早的國家.提出試驗評價不僅能鑑別產品的性能,而且能幫助開發者發現並修正早期缺陷"。項目決策者根據試驗評價給出的系統性能結果,判定產品成熟度並決定是否進入下一步開發;用戶根據試驗評價過程給出的數據,能夠知道在開發過程中系統的性能,並為驗收做準備。
在系統開發過程中，試驗評價的最基本目的是減少或消除潛在的風險。在開發的早期階段,試驗評價包括展示方案可行性、評估設計風險，鑑別多種設計替代選擇、比較分析、評估可執行需求的滿足度。在系統設計開發階段，試驗評價從開發測試驗證( DT&E)到逐漸複雜的執行測試驗證(OT&E)之間反覆疊代。開發測試驗證(DT&E)主要關注工程設計目標的達成度，而執行測試驗證(OT&E)重點關注執行效率、適合度以及耐受性等問題。
在實際試驗項目上開展多種類型的試驗。包括試驗評價類型、試驗評價發展、可執行的試驗評價、多服務試驗評價、聯合試驗評價現場火工測試等。
故障診斷技術
基於振動感測器的試驗數據,依靠故障診斷技術，可以儘早識別太空飛行器產品的結構隱患，提高太空飛行器產品的在軌可靠性，因此故障診斷技術是太空飛行器力學試驗評價技術的主要途徑。
美國一直非常重視太空飛行器故障診斷技術。是最早開展故障診斷研究的國家。Rogers 等利用感測器的信息和歷史資料庫，開發了一個實時的故障診斷系統，對太空梭的主發動機進行故障診斷。歐洲在太空飛行器故障診斷技術方面也進行了研究，開發了一些實用的故障診斷系統。在運載火箭方面，德國的Matjevic在20世紀90年代初就開發了基於模式識別的故障診斷系統，用來對液體火箭發動機進行故障診斷。法國的Delange等也研究了一種用於Ariane—V火箭發動機的檢測系統。
為了暴露太空飛行器產品在材料、工藝和質量方面的缺陷，根據美國航天部門的統計，試驗的成本最高可占整個研製成本的35%，如果試驗設計不合理出現過試驗或者欠試驗，會帶來更大的經濟損失。試驗標準對於太空飛行器產品研製不同階段應該進行的試驗和試驗量級有比較明確的規定，但是不同部門制定的標準略有區別。
發展方向
太空飛行器動力學試驗評價技術已經取得了一定的成果，但還遠沒有達到要求，在動力學評價體系、試驗效應、測量與分析、動力學環境試驗產品評價方面，可逐步開展如下幾方面的工作。
1)深入分析試驗環境效應的影響。對結構完整性破壞、工藝故障及功能失效力學試驗效應進行深入研究，深人分析力學效應產生的原因，對太空飛行器產生的影響，為改進試驗設計、評價太空飛行器提供參考。
2)對測量技術進行改進和深入。對於加速度、應變、聲壓?>測量已經具備較完善的技術；對於位移測量，力測量還需要進行深入和提高,採取新方法或新技術。
3)開展新分析技術的研究。對於驗證結構設計和分析模型正確性，已採用頻譜對比分析技術；後續可開展聲波檢測，同時結合較新的故障信號處理技術，用於太空飛行器故障診斷。同時可以引進先進的感測技術。光纖感測器是近幾十年來迅速發展起來的一種新型感測器，與傳統的感測器相比，光纖感測器具有以下特點：抗電磁干擾，電絕緣、耐腐蝕等；精度高、光纖感測器的精度普遍優於普通感測器；質量輕、體積小、可撓曲，可以利用光纖製成不同外型、不同尺寸的各種感測器，有利於航空航天以及狹窄空間的套用；可實現分散式測量，是光纖感測技術中最具前途的技術之一，是光纖感測監測技術的發展趨勢。
4)太空飛行器系統級振動試驗評價演示驗證系統研製。基於太空飛行器系統級振動試驗評價準則和故障診斷分析技術研究，以評價準則為核心，結合故障診斷技術，將太空飛行器系統級振動試驗數據和結構模型數據作為輸入，在振動試驗後能夠快速獲取對太空飛行器結構系統的評價信息，形成可視化便利性、具備產品評價功能的演示驗證系統。
在具備了基於動力學試驗評價技術成熟之後，根據未來發展的需要，可考慮逐步將太空飛行器評價工作滲透到動力學環境及環境條件的制定結構設計、模型分析、試驗設計等各項內容中。
