太阳电池阵运输过程的振动环境及可靠性分析
2014-12-23宗益燕
张 华,宗益燕
(上海卫星工程研究所,上海 200240)
0 引言
运输是卫星寿命剖面中的一个重要组成部分。运输诱发的振动环境对卫星尤其是大型结构部件有潜在影响,因此对运输过程的振动响应进行实时监测和分析具有重要意义。
太阳电池阵作为卫星上的结构大部件,受包装箱尺寸、星体布局、工装支撑方式等的限制,有单独运输(如“风云二号”卫星)和安装在星上随整星运输(如“风云四号”卫星)2 种方案。常用的运输方式有公路、铁路和空中运输3 种,后续还可能会涉及海上运输。同一卫星型号可能采用其中的一种或几种运输方式。运输时,产品安装在专用的包装箱内,公路运输时包装箱放置在卡车车厢内或 平板车上;铁路运输时,放置在仪器车厢内或火车平板上、专用Ω 车厢内;空运采用运输机。卫星及其产品在运输过程中会受到随机激励、周期性激励和偶然事件的影响[1]。为节省人力、物力和时间,国内外许多单位都在研制运输模拟器开展物理仿真研究,但还处于研制、试验阶段,远不能满足卫星型号的使用要求[1-2];或者采用仿真分析的方法对运输振动响应和减振进行建模,但建模的准确度还有待提高[3-7]。
本文分析了太阳电池阵单独运输和装星运输的振动响应测量结果,并与地面试验数据进行比较,给出了可靠性分析的结果,可为太阳电池阵运输方案的选择提供参考。
1 运输振动响应的测量
太阳电池阵单独运输时,将其收拢压紧在模拟墙上,模拟墙通过钢丝绳减振器或无谐振峰减振器连接固定在包装箱内的安装支座上;外部用钢丝绳对包装箱进一步紧固。可通过在模拟墙上布置的振动传感器测量和记录运输过程中的振动响应情况,如图1所示。
图1 太阳电池阵单独运输传感器布置示意图 Fig.1 Sensor arrangement of solar array transported alone
太阳电池阵装星运输时,通过太阳电池阵驱动机构和火工品压紧杆固定于卫星侧板。卫星采用工艺环与箱底安装板连接,并在箱底安装板与包装箱之间用无谐振峰减振器或钢丝绳减振器连接。同时又在包装箱底部垫橡胶减振块,用钢丝绳拉紧固定于平板车上。振动响应通过在上述位置所布置的振动传感器进行测量,如图2所示。
图2 太阳电池阵装星运输传感器布置示意图 Fig.2 Sensor arrangement of solar array transport with satellite
太阳电池阵运输过程中振动响应的方向定义如图3所示。
图3 太阳电池阵运输各方向的定义 Fig.3 Directions in solar array transportation
2 运输振动响应分析
随运输方式、安装、加固和减振方式等的不同,太阳电池阵的振动响应情况也各不相同。
2.1 运输方式及其激励环境的比较
2.1.1 铁路运输与公路运输
图4给出了“遥感十九号”卫星太阳电池阵运输全过程中竖直方向的振动响应情况,可知:
1)该太阳电池阵经历了“公路+铁路+公路”的运输激励环境;
2)公路运输的瞬时冲击平均约为1g,从火车站至发射场的公路运输过程中最大瞬时冲击达到2g;铁路运输瞬时冲击约为0.2g,且运输过程中的振动环境较公路运输更为平稳。
图4 “遥感十九号”卫星太阳电池阵传感器竖直方向振动响应 Fig.4 The vertical random responses of YG-19 satellite solar array
2.1.2 空中运输与公路运输
“实践十六号”采取空中和公路相结合的运输方式。在运输全过程中振动传感器测得的各方向振动响应平均值和最大值见表1。图5给出了竖直方向振动响应情况。从表1和图5中数据可知:
1)在行车方向和晃动方向,空中运输的振动响应的平均值和最大值与公路运输基本相当,且都不大于1g;而竖直方向,空中运输的振动响应的平均值(0.07g)和最大值(0.4g)都远小于公路运输的振动响应情况。
2)在力学稳定性方面,空中运输在竖直方向的振动响应较为稳定,主要分布在0~0.1g的范围内,仅在遇有气流而导致飞机颠簸的情况下瞬时冲击值为0.2g、0.3g和0.4g(仅一次);而公路运输的竖直方向振动响应分布较为离散,记录的响应值因受路面影响而波动较大。
3)综合考虑路况、车速等因素的影响发现,厂房至机场的振动响应要明显优于机场至发射场路段,尤其在竖直方向的响应差别更为明显,分析认为厂房至机场公路段的路面平整度较好,且受车 流和红绿灯的影响而车速较慢;而机场至发射场的路面状况稍差,且因路面车辆少所以车速快。
表1 “实践十六号”卫星运输响应 Table1 The vibration responses in SJ-16 satellite transportation
图5 “实践十六号”运输过程竖直方向振动响应 Fig.5 The vertical vibration responses in SJ-16 satellite transportation
2.2 运输过程振动响应分析
2.2.1 振动响应频率分析
将振动传感器各点测得的时域数据进行FFT频谱变换,可得到其在频域上的分布情况。图6给出了“实践十六号”卫星在运输过程中各方向的频域响应。由图6可知:
1)卫星各测点共振频率集中在20 Hz 以内,水平方向的振动频率主要为4.10、16.60 Hz,竖直方向的共振频率主要为2.73、3.64 和16.54 Hz,运输过程的振动响应主要为低频振动;
2)卫星安装界面竖直方向在16.6 Hz 附近共振,其最大幅值为0.055g,经分析是由于卫星和连接工装的一阶弯曲固有频率所致。
图6 “实践十六号”卫星运输各方向频域响应 Fig.6 The responses in frequency domain in SJ-16 satellite transportation
2.2.2 振动响应的量级分析
图7为“风云三号”卫星太阳电池阵铁路运输过程中行车方向和竖直方向的振动响应。由图7可知:
1)行车方向的最大冲击响应为0.8g,竖直方向的最大冲击响应为3.8g,且由前文分析可知均为20 Hz 以内的低频冲击,均小于出厂前地面整星力学试验时太阳电池阵压紧点处约5g(横向约15 Hz、纵向约60 Hz)的振动响应;
2)在行车方向的平均冲击响应值约为0.3g,竖直方向的平均冲击响应约为0.65g,即与纵向响应相比,由于轨道路面的不平以及行驶过程中的启动、刹车等造成的横向动力学响应量级要小。
图7 “风云三号”太阳电池阵行车方向和坚直方向的 振动响应 Fig.7 The vibration responses in driving direction and vertical direction separately in the FY-3 satellite solar array transportation
2.3 隔振方式比较
卫星整星运输时,包装箱底部常用橡胶减振块,而卫星的箱底安装板与包装箱之间则采用无谐振峰减振器或钢丝绳减振器。运输过程中,振动响应从平板车到工艺环与包装箱连接界面经历橡胶减振块、无谐振峰式减振器或钢丝绳减振器的作用,传递路径是:平板车底板→包装箱减振器下方→包装箱减振器上方→太阳电池阵压紧点。
图8和图9分别为“遥感十九号”和“遥感十八号”卫星在各方向的隔振情况。由图中数据可看出不同隔振方式的隔振效果不尽相同:
1)经过橡胶减振块隔振后,水平和竖直方向的隔振效果明显;而钢丝绳减振后两方向的振动响应均有小幅放大;
2)经过无谐振峰减振器后,水平方向的振动量级有一定程度的减小,而竖直方向的隔振效果明显。
橡胶减振块具有良好的弹性和足够的强度,可以使隔振系统有很低的固有频率和较高的阻尼,但其抗环境污染与抗温度变化能力较弱,寿命较短。使用钢丝绳减振器和无谐振峰减振器能将隔振基础的固有频率设计得很低,从而对于高频的隔振效果很好,但由于其阻尼较小,所以会造成隔振基础以固有频率摆动,从而使得水平方向的响应有所放大。一般在应用时,建议将钢丝绳减振器或无谐振峰减振器与橡胶减振块联合使用,这样对于高频振动提供了较大的阻尼和消耗,对于低频振动也不会产生较大的放大。
图8 “遥感十九号”卫星各方向减振效果比对 Fig.8 The damping in each direction of YG-19 satellite
图9 “遥感十八号”卫星各方向减振效果比对 Fig.9 The damping in each direction of YG-18 satellite
3 运输可靠性分析
运输过程的可靠性分析主要是研究太阳电池阵单独运输和装星运输的振动量级,比较其与地面试验时类似位置的响应量级,并对运输全过程的疲劳损伤进行评估。
3.1 单独运输与装星运输响应的比较
表2给出了“风云三号”卫星太阳电池阵单独运输和“遥感十八号”整星运输时太阳电池阵压紧点处的振动响应。由于二者均采用了“公路+铁路+公路”的运输方式,运输的道路也相同,所以数据具有可比性。从表2可知:
1)在水平方向上,行车方向的太阳电池阵装星运输的振动响应平均值和最大值稍小于单独运输的响应,但相差不大;晃动方向的响应平均值和最大值量级大小基本一致。
2)在竖直方向上,装星运输的响应平均值和最大值分别为0.27g和0.63g,优于单独运输时的响应平均值(0.65g)和最大值(3.8g)。
3)由于运输过程的车速和车辆状况不完全相同,安装和隔振设置也不同,而且地面运输的振动响应一般均为20 Hz 以内的低频振动,所以可认为太阳电池阵单独运输和装星运输的振动响应量级基本相当,无明显差异。
表2 太阳电池阵单独运输和整星运输的振动响应比对 Table2 Vibration response comparison between solar array transportation alone and with whole satellite
3.2 运输与地面试验的比较
图10~图12给出了“遥感十八号”卫星测得的x、y、z三个方向的频率特性曲线,其中,整星运输时的测点5 和7 的位置为太阳电池阵压紧点处。由图可知:
1)整星运输时太阳电池阵压紧点处三个方向的振动峰值响应分别为0.009g、0.019g和0.007g,而地面试验时相同位置处的峰值响应分别为1.92g、2.10g和3.19g,即由于输入激励较小和隔振装置的隔振效果,运输过程中的振动响应远小于地面试验时的响应。
2)整星运输时由于卫星和包装箱的隔振装置阻尼的影响,整个系统的一阶频率较低,三个方向的系统一阶频率分别为2.93、3.13 和3.52 Hz,低于整星地面试验时的一阶响应频率(15.10、15.96 和41.69 Hz),也低于地面试验时振动台的起振频率(5 Hz)。
图10 “遥感十八号”太阳电池阵压紧点x 向振动响应 Fig.10 The x random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test
图11 “遥感十八号”太阳电池阵压紧点y 向振动响应 Fig.11 The y random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test
图12 “遥感十八号”太阳电池阵压紧点z 向振动响应 Fig.12 The z random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test
3.3 可靠性分析
假定卫星在运输过程中受到平稳的随机振动, 则根据文献[1]的经验公式(a为正 弦激励的加速度峰值;fn为固有频率;W为加速度功率谱密度)并结合表1和图5“实践十六号”卫星运输过程的测量数据可知:在平稳路况下,无瞬时冲击时运输过程的振动响应量级约为0.1g,远小 于整星地面正弦振动试验时产品上约5g的响应。
当损伤机理为疲劳破坏时,可采用加速试验缩短试验时间,加速因子为应力水平,如图13所 示[1]。由图可知:在相当的疲劳损伤下,当振动量级为原值的1/3 时,试验时间需延长1000 倍;当振动量级递减到原值的1/100 时,试验时间需延长到109倍。而整星地面振动试验时间一般约1~ 2 min,运输时间不超过100 h,即运输时间约为振动试验时间的104倍,远小于产生相当疲劳损伤所需的109倍的时间。因此,可认为太阳电池阵运输过程中累积的振动疲劳损伤远小于整星地面试验对产品的影响,即运输不会对太阳电池阵产生疲劳损伤。
图13 疲劳损伤加速试验曲线 Fig.13 The curve of fatigue damage acceleration test
4 结束语
运输是太阳电池阵发射前必须经历的环境,通过对其运输过程中的实测振动响应数据的分析,可从力学环境角度为太阳电池阵运输方案的选择提供参考。从单独运输、装星运输和地面试验的数据比对可以看出:太阳电池阵单独运输和装星运输的振动响应量级基本相当;运输过程的振动响应量级远小于地面试验时的振动响应量级;经疲劳分析,运输不会对太阳电池阵产生疲劳损伤。
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