Способ испытания на ударные воздействия космического аппарата

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: нагружают космический аппарат срабатыванием пиросредств и получают ударные спектры в местах установки оборудования. До проведения испытаний срабатыванием штатных пиросредств получают их ударный спектр ускорений, далее осуществляют нагружение инженерного макета космического аппарата устройством-аналогом штатного пиросредства массой, габаритами, способом и местом крепления, близким штатному пиросредству, при этом формируют ударный спектр ускорений, который перекрывает ударный спектр ускорений штатного пиросредства. Получают ударный спектр ускорений от срабатывания аналога в точках контроля инженерного макета. Находят отношение ударного спектра ускорений в точке срабатывания аналога к ударному спектру ускорений штатного пиросредства и с учетом полученных зависимостей определяют уровень нагружения в точках контроля на космическом аппарате по формуле. Технический результат: повышение точности испытаний. 2 ил.

 

Данное изобретение относится к методам испытаний конструкций на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях инженерно-квалификационных моделей космических аппаратов (КА) на ударные воздействия.

Современные КА содержат в себе большое количество элементов из различных композиционных материалов и сот, в изготовлении которых применяются клеи обычно достаточно чувствительные к кратковременным импульсным нагрузкам, а также сложное оборудование, чувствительное к таким воздействиям, поэтому ударные испытания являются обязательными для всех разрабатываемых КА.

На сегодняшний день существуют различные методы испытаний на ударные воздействия с помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами и т.д. Методы испытаний могут быть по амплитуде синуса или по ударному спектру ускорений, когда не важно само воздействие, а важна реакция, которую это воздействие вызывает в конструкции (кн.2 "Испытательная техника" кн.1 М. Машиностроение 1982 г. стр.334-335). При таких испытаниях не всегда нагружение объекта испытаний будет проведено в том частотном диапазоне, в котором будет проводиться нагружение штатного аппарата при эксплуатации (один и тот же ударный спектр ускорений имеет множество различных ударных воздействий). Это бывает особенно важно для формирования режимов автономных испытаний приборов и оборудования или подтверждения их работоспособности. Самый простой способ ударных испытаний - это срабатывание штатных устройств, от которых будет нагружаться оборудование в составе изделия. В результате обработки получают ударные спектры в местах установки оборудования (Круглов Ю.А. Туманов Ю.А. Ударовиброзащита машин, оборудования и аппаратуры. Ленинград. Машиностроение 1986 стр.148-149 - прототип).

К недостаткам такого способа нужно отнести следующие.

Согласно существующей (как отечественной, так и зарубежной) нормативной документации при отработке КА проводятся отработочные (квалификационные) испытания, во время которых КА подвергается различным повышенным воздействиям (в том числе и ударным) относительно условий эксплуатации. Коэффициент квалификации, например, по ударным спектрам ускорений должен быть не менее 1,4. Очевидно, что создать повышенные ударные воздействия срабатыванием штатных пироустройств невозможно. При этом следует отметить, что у пироустройств существует достаточно большой разброс по величине ударных воздействий при срабатывании и при одиночном подрыве без проведения испытаний с "запасом" имеется возможность перегузить в дальнейшем штатное оборудование при эксплуатации. Кроме того, при разработке новых пироустройств КА к началу отработочных испытаний инженерно-квалификационного макета (ИКМ) КА в наличии должно быть уже готовое пиросредство. Однако разработка основных узлов идет параллельно и отсутствие готового пироустройства может затормозить испытания. Уровни же нагружения оборудования необходимо получать на этапе испытаний ИКМ КА. В то же время ожидаемые уровни ударного воздействия обычно известны (они являются одним из проектных параметров).

Создание требуемого ударного спектра ускорений в точках установки пироустройств КА с помощью ударных стендов (ударное воздействие которых может регулироваться) обычно натыкается на ограничения по мощности стенда и возможности системы управления. Как правило, стенды не могут воспроизводить сигналы длительностью менее 0.1-0.2 мс, а длительность срабатывания пиросредства может находиться в диапазоне и до 0.1 мс. Кроме того, чрезвычайно трудно создать с помощью стенда ударную нагрузку в локальной точке КА. Испытания же устройствами того же класса, что и штатные, делает картину нагружения более реальной, т.к. можно подобрать устройство, которое через переходник сможет создавать на КА близкие воздействия.

Предлагаемый способ испытаний позволит устранить возникшие недостатки. Способ испытаний на ударные воздействия космического аппарата заключается в нагружении его срабатыванием штатных пиросредств с заранее полученным ударным спектром ускорений, отличается тем, что до проведения испытаний срабатыванием штатных пиросредств осуществляют нагружение инженерного макета космического аппарата устройством-аналогом штатного пиросредства массой, габаритами, способом и местом крепления, близким штатному пиросредству, при этом формируют ударный спектр ускорений, который перекрывает ударный спектр ускорений штатного пиросредства, затем получают ударный спектр ускорений от срабатывания аналога в точках контроля инженерного макета, далее находят отношение ударного спектр ускорений в точке срабатывания аналога к ударному спектру ускорений штатного пиросредства и с учетом полученных зависимостей определяют уровень нагружения в точках контроля на космическом аппарате по формуле

где:

- ожидаемый ударный спектр ускорений в "i" точке контроля от штатного пиросредства;

- ударный спектр ускорений в "i" точке контроля от устройства аналога;

H_sa(ω) - отношение ударных спектров ускорений аналога и штатного пиросредства.

Сущность заявляемого решения может быть пояснена следующим образом. При проведении отработочных испытаний согласно нормативной документации задаются все виды воздействий, включая ударные. В то же время воспроизвести пиротехническое ударное воздействие на КА всегда достаточно сложно. Обычно воспроизводится либо пиковое значение ускорения и длительность, либо предпринимается попытка создать ударный спектр ускорений, аналогичный заданному. Наиболее простым решением является подрыв штатных пиросредств. Но такой подход не всегда реализуем (нет пиросредств в наличии, они дороги и т.д.) и не позволяет проводить ударные испытания с квалификационными уровнями воздействий. Но возможна замена одного пиросредства другим, у которого ударный спектр ускорений перекрывает ударный спектр ускорений штатного пиросредства. Это могут быть, например, устройства, у которых вышел срок хранения и для штатной эксплуатации они непригодны, либо более простые и дешевые серийно выпускаемые устройства. Тогда при проведении испытаний динамического макета КА вместо штатного пиросредства устанавливается его аналог, проводятся ударные испытания, регистрируются ускорения в нужных точках конструкции. По результатам измерений строятся ударные спектры ускорений. Особенностью применения в задании нормируемого ударного воздействия понятия ударного спектра ускорений являются его реакции конструкции, как максимально возможной в конкретном частотном диапазоне. Следующей особенностью является то, что отношение ударных спектров ускорений до и после некоторого узла (например, стыка конструкции) при близких воздействиях слабо изменяется даже на нелинейных системах.

Таким образом, если нагрузить исследуемую конструкцию ударным воздействием от пиросредства, ударный спектр которого перекрывает требуемый, то получим в точке воздействия и в точках контроля реакцию конструкции КА во всем диапазоне частот (ударные спектры ускорений), в котором может вызвать существенную реакцию и штатное пироустройство. Для соблюдения граничных условий применяемое пиросредство должно как можно больше соответствовать штатному. Необходимо, чтобы близкими были масса, габариты, способ и место крепления аналога. Это гарантирует создание на конструкцию воздействия, аналогичного по своей природе штатному устройству, даже если амплитуда ударного воздействия будет отличаться в несколько раз. Передаточные отношения характеризуют в первую очередь конструкцию КА, а не пиросредство, и являются достаточно стабильной характеристикой конструкции КА. Поэтому в дальнейшем проводится корректировка воздействия по формуле (*). Так как ударное воздействие от аналога больше штатного, то это позволяет еще и сгладить эффекты, связанные с нелинейностью конструкции.

Пример практического использования.

В НПО ПМ при проведении испытаний ИКМ одного из КА типа Экспресс совместной разработки с зарубежным подрядчиком предусматривались срабатывание штатных пиросредств (HRM) партнера. Однако к началу испытаний они не были поставлены. Кроме того, ввиду высокой стоимости устройств предусматривалось только одно срабатывание. При этом оставался открытым вопрос о нагружении конструкции КА квалификационными уровнями. По данному устройству был известен УСУ (Фиг.1, график 1), масса и способ крепления пиросредства. Из имеющихся в распоряжении пиросредств был выбран один из пирозамоков КА "Глонасс М". Масса замка "Глонасс М" примерно в 1,5 раза больше HRM, габариты близки. Отличие заключалось в способе крепления замка. Место крепления замка осталось штатным (ИКМ КА уже был изготовлен), а для крепления пирозамка было разработано переходное устройство, позволившее установить замок с переходником по штатным узлам крепления. Ударный спектр замка показан на Фиг.1, график 2. Для сравнения на Фиг.1 график 3 показан УСУ от полуволны синусоиды амплитудой 2800g и длительностью 0,1 мс. При этом уровень ударного нагружения (по УСУ) в 1,5-2 раза выше, чем от HRM. По результатам испытаний (4 срабатывания) были получены УСУ во всех точках контроля. Затем было найдено отношение УСУ в точке подрыва замков (за эту точку принимался датчик на кронштейне установки замка) и по формуле (*) дан прогноз по КА для замка HRM. Проведенные последующие испытания подтвердили данный прогноз. На Фиг.2, в качестве примера показаны ударные спектры ускорений (предсказанный график 1 и полученный в результате испытаний со штатными замками график 2) в одной из точек крепления гироскопа.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов

Способ испытаний на ударные воздействия космического аппарата, заключающийся в нагружении его натурным срабатыванием пиросредств и получении ударных спектров в местах установки оборудования, отличающийся тем, что до проведения испытаний срабатыванием штатных пиросредств получают их ударный спектр ускорений, далее осуществляют нагружение инженерного макета космического аппарата устройством - аналогом штатного пиросредства массой, габаритами, способом и местом крепления близким штатному пиросредству, при этом формируют ударный спектр ускорений, который перекрывает ударный спектр ускорений штатного пиросредства, затем получают ударный спектр ускорений от срабатывания аналога в точках контроля инженерного макета, находят отношение ударного спектра ускорений в точке срабатывания аналога к ударному спектру ускорений штатного пиросредства и с учетом полученных зависимостей определяют уровень нагружения в точках контроля на космическом аппарате по формуле

где - ожидаемый ударный спектр ускорений в "i" точке контроля от штатного пиросредства;

- ударный спектр ускорений в "i" точке контроля от устройства аналога;

H_sa(ω) - отношение ударных спектров ускорений аналога и штатного пиросредства в точке срабатывания.