航天系统力学环境试验

基于Simcenter测试系统安全高效地进行航天器的试验鉴定 内容提要



本白皮书简要叙述了与航天器密切相关的振动及声学环境试验，模态试验以及微振动试验等多种结构动力学试验技术，并讨论了如何基于全面的数字孪生技术，降低试验风险、优化试验流程。 Simcenter 能够为航天器鉴定试验提供一整套全面、安全、高效的解决方案。Simcenter是西门子数字工业软件 Xcelerator 的一个重要组成部分（Xcel- erator 代表一个融合软件、服务和应用开发平台于一体的产品组合，旨在根据各行业中企业的特定需求，协助其实现数字化转型）。 摘要



在科技高速发展的今天，航天工业也正经历着巨大的变革。航天工业正由各国政府之间的竞赛，而转向公司之间的竞争。无论是只有几厘米大小的微型立方体卫星（CubeSats），还是长达数米的科学卫星，航天器制造商已经在远程通信、货运及载人航天等各个领域展开了激烈的竞争。 未来的空间飞行任务给航天器的生产研发带来了许多新的挑战，沿用传统的开发设计流程会存在很大的风险。致力于航天事业的企业要想成功，必须要做好准备，敢于质疑和改进当前的设计开发流程。 本白皮书侧重于航天器的鉴定及验收试验。在航天器中，从组件到整机，所有结构都必须通过力学环境试验，试验的目的是为了验证航天器能否能够承受运载火箭在发射、升空过程中产生的各种动力学环境。 致力于航天事业的企业要想成功， 必须要做好准备，敢于质疑和改进当前的设计开发流程。 转型中的航天工业



技术和商业模式的不断创新，商业航天公司之间的竞争，会使得航天旅行不再遥不可及，成本更低。 目前，民用创新型的航天公司引入了新的行业模式，为航天工业注入新的活力。这些公司计划开发廉价的运载火箭和航天器来实现民用载人航天(重返月球或火星)。不久之后，乘坐航天器进入太空，入住环地轨道的酒店，像这样的太空旅行很快就会成为现实。 航天工业不同于其它行业，在航天工业中，安全可靠是最重要的，新技术就意味着风险。所以航天工业的技术相对保守。比如，有些试验至今仍然沿用着40年前的标准！ 致力于航天事业的企业要想成功，必须要做好准备，敢于质疑和改进当前的设计开发流程。采用数字孪生技术进行航天器的设计和研发，可以帮助企业充满信心地做出决策。数字孪生技术可以帮助企业通过CAE（Computer-Aided Engineering，计算机辅助工程），系统工程以及试验技术来研究航天器的物理特性。

航天器为什么要进行振动及噪声环境试验？ 在正式发射之前，必须在地面验证航天器能否承受运载火箭发射过程中的动力学载荷。航天器在实际发射过程中会处于一个非常恶劣的动力学环境，在这种动力学环境下，航天器会承受非常极端的动力学载荷，比如运载火箭一二级分离时产生的冲击、火箭发动机产生的振动以及整流罩摩擦空气产生的噪声。只有在航天器进入轨道后，其所处的动力学环境才会得以改善。 为了验证卫星是否能够承受发射时的环境载荷，发射部门将提供一套完整的力学环境试验的要求。图1展示了运载火箭的飞行时序图，以及联盟号（Soyuz）运载火箭用户手册中的试验要求示例。 如图2所示，航天器动力学环境试验覆盖的频率范围很广，涉及多种不同的试验类型，如正弦、随机振动、声学和冲击。动力学环境试验使用的设备包括：振动台、滑台、混响室、扬声器、跌落台和热冲击试验台等。这些试验的特点不尽相同，所以给试验部门带来了很大的压力。首先，试验部门需要有足够的试验人员和技术能力以掌握所有试验的流程和方法。此外，试验部门还要考虑试验设备的投资成本，因为每种试验都有特定的测试和分析要求。 除了环境试验外，模态试验和微振动试验也是航天试验的重要组成部分。模态试验有助于验证卫星或运载火箭的有限元模型，以便进行更准确的仿真分析。由飞轮等扰振源所引起的微振动会影响精密设备的运行，如光学或激光设备。图3展示了航天器设计开发中所涉及的各种试验。

图1. 左：运载火箭的飞行时序图；右：联盟号运载火箭试验要求

图2. 各种力学环境试验及其所对应频率范围

图3. 航天器认证试验包括：力学环境试验、模态试验以及微振动试验 振动环境试验 振动控制是环境试验中最重要也是最严格的一类试验。振动控制试验包括正弦控制、随机控制和冲击控制。振动环境试验需要对振动信号进行精确的闭环控制，其目的是为了避免发射过程中可能出现的事故，提高发射成功率。振动环境试验的成本相对较高，所以试验部门需要最大限度地利用已有硬件来满足试验需求。首先，要尽量在同一个数采平台上并行采集数据。其次，需要具备同时采集数百路信号的大通道采集能力。 挑战 航天器原型机或待发射航天器的造价昂贵，在进行振动环境试验时，需要避免航天器由于过于严苛的动力学载荷作用而发生破坏。如果由于试验而导致待发射航天器发生了损坏， 那么就有可能错过发射的时间窗口，造成重大的财务损失。 目前航天器的发展趋势是尺寸越来越大，设计越来越复杂， 需要监测保护航天器上的敏感仪器越来越多，因此就需要更大通道数的数采系统，以更好地了解航天器的动力学表现。此外，对于这样的大型试验，仍要充分保证试验的安全性，不能影响控制系统。 对于安全高效的鉴定试验而言，试验人员需要实时把控试验进度，监测控制精度，而且测试系统必须具备远程中止试验的功能。除此之外，在试验结束后试，验团队需要将试验结果尽快提交给分析团队，以进行进一步的数据验证和后处理分析。 下一节中，将介绍我们如何应对上述这些挑战，从而提供一套高效、安全、灵活的先进航天器鉴定试验系统。 可靠的振动环境试验 卫星振动试验（包括正弦或随机）的目的，是在振动台上复现运载火箭发射过程中，航天器所处的振动环境。试验中，由控制系统发出驱动信号，然后由功率放大器将驱动信号放大， 并将电信号传输给振动台，最终由振动台将电信号转化为振动，驱动航天器进行振动试验。振动台和航天器之间安装有控制传感器，传感器的振动信号会实时反馈到控制系统，控制器会基于反馈信号对振动台进行实时的闭环控制。在振动环境试验中，除了对振动台进行控制外，如果响应点的振动量级超标，还要对响应点进行限幅。当响应点振动的量级触发限幅控制时，控制系统就会降低驱动电平，保护航天器不会因为试验而发生损坏。图4是典型的振动环境试验装置。 先进的控制系统会内置非常多的安全参数，包括自检、限幅和中止上下限等功能。下面会介绍Simcenter振动环境解决方案在安全性方面的特点。

图4.  BepiColombo的振动环境试验，确保航天器能够在Ariane  5号运载火箭的艰难旅程中完好无损（来自欧洲宇航局） 系统自检—对测试设置一致性和完整性进行验证 自检是振动控制试验的重要组成部分。在试验之前，必须对整个系统进行全频带自检。在自检过程中，控制器会对振动台发出一个低电平驱动信号，验证振动台的台面是否产生了相应的振动。通过传感器的反馈信号验证控制系统的电路是否闭环。在自检过程中，系统会测量所有通道的频率响应函数，并验证各个传感器是否处于正常的工作状态。控制系统会将低电平的激励外推到满量级，预测满量级试验时是否所有信号都仍在正常的范围内。图5说明了Simcenter Testlab? 软件中的测试流程。 实时限幅—保护航天器的安全性 在正弦控制和随机控制试验中，如果结构发生共振就会导致结构的振动量级过高。如果超过了安全限值，就有可能导致航天器上的敏感器件发生损坏。如图6所示，当响应信号超过安全上限，就必须降低驱动信号的量级。在正弦控制试验中， 这种限制响应幅值的功能叫做“下凹控制”，通过控制响应的量级保护被测结构。 下凹控制不只可以控制加速度谱，还可以控制力谱、力矩或其它任何在试验过程中测量的物理量。力和力矩的限值非常重要，卫星横向振动时会发生卫星的侧倾，当卫星的重心超出振动台的支撑边界时，就会发生卫星的倾覆。这种状态对卫星来说是非常危险的。所以必须通过测力装置（FMD）控制和监测卫星和振动台接口处的力和力矩，避免卫星在试验中发生倾覆。 大通道数据采集 如前所述，目前航天器越来越大，也越来越复杂，因此就需要大通道数据采集系统。在控制系统对振动台进行精确控制的同时，通过大通道数采系统采集航天器的动态响应。在试验中，大通道数据采集系统既不能影响控制系统的性能，也不能降低数据后处理以及分析报告的效率。 为了保证控制系统的实时性，目前大通道的数据采集系统与控制系统之间相互独立。数据采集系统是控制系统的扩展， 并与控制系统完全同步。控制系统和数采系统将同步存储原

图5. 左：自检流程；右：Simcenter Testlab自检

图6. 正弦控制和正弦控制中的下凹控制

来源：上海诺宇晟信息技术有限公司