整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法

2023-07-19 23:49:41

專利名稱：整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法
技術領域：
本發明涉及一種衛星整星振動試驗時基於應變反饋的輸入載荷曲線下凹方 法，適用於所有衛星的整星振動試驗。
背景技術：
衛星整星振動試驗是衛星研製活動中必不可少的驗證項目。通常，衛星整 星振動試驗的對象可以是飛行星(正樣星)、也可以是結構星(初樣星)。試驗 時，將衛星放置並連接在振動臺上，由振動臺的控制系統按照衛星的試驗要求 給振動臺輸入載荷控制倌號，振動臺根據輸入載荷控制信號的頻語給連接在振 動臺上的衛星施加振動載荷。
振動臺輸入載荷控制信號的頻譜由衛星的試驗要求規定。衛星的試驗要求
又來自於運載火箭在發射主動段的環境條件。環境條件規定的頻譜在頻i普圖上 的幅值在一定的頻率範圍內通常為一條直線，但是這種頻謙有時不一定能準確 表達出運載火箭在發射主動段的實際情況，而是在個別頻段或頻點上有一定的 偏差，容易使衛星在試驗中在在個別頻段或頻點上超載，給衛星帶來不必要的 損傷。因此，在個別頻段或頻點上對環境條件規定的頻鐠進行下凹成為衛星整 星振動試驗中經常要遇到的問題。
目前，衛星整星振動試驗時常用的輸入載荷下凹方法有兩種， 一種是按照 已經確定好的某種星上設備的載荷條件為門檻值進行反饋下凹，具體實施方法 是在該設備的衛星結構安裝面上安裝振動傳感器，以該傳感器的響應值不超過 已經確定好的該星上設備的載荷條件門檻值為準則，對該衛星的輸入載荷進行 反饋控制，使衛星輸入載荷在某些頻段上進行下凹，避免出現整星試驗時該設 備的振動環境超出原設定條件，使該設備過載。但這種方法也有其不足之處， 即當按照某個星上設備的振動環境進行衛星輸入載荷下凹時，將會導致衛星整
4星的邊界輸入量級降低，這樣就會造成在載荷下凹頻段上其它所有星上設備的 欠載。
另外一種下凹方法為，按照衛星-運載耦合分析的結果與衛星-運載界面上 的環境條件進行比對，在振動試驗之前就可以對衛星的輸入載荷在某些頻段上 進行下凹，通常星-運載耦合分析的結果在大多數頻段上要小於衛星-運載界面 上的環境條件。該種方法由於直接與衛星-運載耦合分析模型的仿真能力相關， 當分析模型的局部或某個關鍵點出現與實際情況不符合時，將使得衛星輸入載 荷下凹帶有很大的不確定性。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了操作簡單、試驗 精度高的整星振動試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法。
本發明的技術解決方案是整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法，步 驟如下
(1 )確定衛星與運載對接面之間的對接面支反力最大值Nmax;
(2) 確定不同情況下衛星與運載對接面之間產生的應變￡與對接面支反力 N的比例關係；
(3) 根據步驟(1)和步驟(2)的結果確定衛星整體振動試驗時應變￡
的門檻值Emax;
(4) 衛星整體振動試驗時，根據衛星與運載對接面之間產生的應變￡的變 化情況施加輸入載荷，輸入載荷時保證由輸入載荷引起的衛星與運載對接面之
間的應變e小於門檻值Emax。
所述步驟(1 )中確定對接面支反力最大值Nmax的方法為分別計算作用
於衛星質心處的不同軸向準靜態載荷引起的衛星與運載對接面的支反力N"以 及不同法向準靜態載荷引起的衛星與運載對接面的支反力N2,而後選取兩者之 和的最大值作為對接面支反力N的最大值，即Nmax=MAX ( N一N2)。
所述的作用於衛星質心處的軸向準靜態載荷引起的衛星與運載對接面的支反力A的計算公式為
N"!二Mg (kP"!國Po) /2丌R
其中M為衛星總質量，g為重力加速度常lt, R為衛星與運載對4妻面的半徑， P，為軸向過載係數，Po為衛星自重載荷，k為安全係數，k的取值範圍為 1.25~1.5。
所述的作用於衛星質心處的法向準靜態載荷引起的衛星與運載對接面的支 反力N2的計算公式為
N2=kMHg P2/ttR2 其中M為衛星總質量，g為重力加速度常數，R為衛星與運載對接面的半徑， P2為法向過載係數，H為由對接面算起的衛星質心高度，k為安全係數，k的 取值範圍為1.25~1.5。
所述步驟(2)中確定應變￡與對接面支反力N的比例關係的方法為採 用靜力的或動力的定頻振動試驗，定頻的頻率不大於衛星固有振動頻率的0.5 倍，定頻振動試驗時輸入載荷的加速度量級分a、 2.0a和4.0a三級，對於每一
個加速度量級至少進行三次試驗，衛星與運載對接面的應變值￡a， S2.0a和S4.0a
取試驗測得數據的平均值；同時通過公式Na= agM/2 tt R或Na= agMH/丌R2計 算當輸入載荷加速度量級為a時的衛星與運載對接面的支反力Na，同理獲得當 輸入載荷加速度量級為2.0a、 4.0a時衛星與運載對接面的支反力N2.0a、 N4.0a，
從而獲得應變￡與對接面支反力N的比例關係￡/N=￡a/Na=￡2.oa/N2.oa=￡4.oa/N4.0a,
公式中M為衛星總質量，g為重力加速度常數，R為衛星與運載對接面的半徑， H為由對接面算起的衛星質心高度。
所述步驟(3)中衛星整體振動試驗時應變E的門檻值Smax的計算方法為 ￡maX=ANmax，其中Nmax為步驟(1)中計算得到的衛星與運載對接面之間的對
接面支反力最大值，A為步驟(2)中計算得到的衛星與運載對接面之間產生的 應變￡與對接面支反力N的比例關係。 本發明與現有技術相比的優點在於1、 本發明方法根據作用在衛星質心處的軸向、法向和4黃向準靜態載荷，計 算出該載荷在衛星-運載對接面產生的最大支反力，接著在對接面附近粘貼應變 片，然後通過定頻振動試驗，測得衛星-運載對接面的應變值與對應的衛星-運 載對接面支反力的比例關係，計算出輸入載荷進行應變控制的門檻值，通過一 到兩次預演試驗，最後進入正式試驗，實現應變反饋的輸入載荷曲線下凹，上 述過程中經過計算獲得的對接面應變控制門檻值所依據的原始數據均來自於現 場的整星試驗實測，沒有複雜的計算模型和仿真計算，不存在分析;漠型與實際
試驗對象不符合的情況，因此方法簡單、誤差小、精度高；
2、 本發g
星與運載對接面應變控制門搵值進行實時反饋控制，避免了試驗前人為規定動 態輸入載荷的下凹頻段及其對應幅值可能帶來的不準確情況，進一步提高了測 試精度；
3、 本發明方法中動態輸入載荷在某些頻段的下凹實際上是整星振動輸入載 荷的下凹，因此不存在輸入載荷下凹頻段出現的星上設備載荷欠載的問題。


圖1為本發明方法的原理框圖； 圖2為本發明計算對接面支反力時的關係示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，為本發明載荷輸入方法的流程框圖，其具體步驟如下 第一步根據作用在衛星質心處的軸向準靜態載荷，計算出該載荷在衛星-
運載對接面產生的支反力A。
因為作用在衛星質心處的軸向準靜態載荷在衛星-運載對接面產生的支反 力在理論上是均勻的，所以在此將衛星質心處的軸向準靜態載荷MgP!平均到 整個對接面(框)上得到
NfMgP，/2丌R 考慮到衛星在地面的自重和設計的安全係數，可以得到N^Mg (kPrP0) /2ttR
事實上，因為作用在衛星質心處的軸向準靜態載荷在衛星-運載對接面產 生的支反力在理論上是均勻的，所以A為對接面上產生的平均支反力。 其中M-衛星總質量(重量)
g-重力加速度常數，取9.8m/s2
R-衛星-運載對接面上對接框半徑，按星-運載標稱接口尺寸選取
Pr軸向過載係數(可以從運載手冊中查到)
P0=1.0假設1.0g的衛星自重載荷
Nr由衛星質心處的軸向載荷引起的衛星-運載對接面支反力
k-設計的安全係數，與衛星和運載的成熟度有關， 一般取1.25(衛星和 運載均屬於成熟產品)或1.5 (衛星或運載其中任何一個為新研製產品)。
第二步根據作用在衛星質心處的橫向或法向準靜態載荷，計算出該載荷 在衛星-運載對接面處產生的最大支反力N2。
因為根據力學原理，作用在衛星質心處的橫向或法向準靜態載荷，在衛星-運載對接面上產生的支反力的最大點位於該方向上的兩端，如圖2所示，所以 根據力平衡有
作用在對接面上的彎矩=對接面上分布的支反力產生的彎矩，即 MgHP2=42J Rcos6 Rd 6 N2cos6， MgHP2
0
於是N2= MHg P2/ttR2，
事實上，N2為對接面上產生的最大支反力。
考慮到設計的安全係數，可以得到
N2=kMHg P2/ttR2 其中M-衛星質量(重量)
g-重力加速度常數9.8m/s2
R-衛星-運載對接面上對接框半徑，按星-運載標稱接口尺寸選取係數(可以從運載手冊中查到) H-衛星質心高度(從星-運載對接面算起)
1\12-由衛星質心處的橫向或法向載荷引起的衛星-運載對接面處的最大支
反力
k-設計的安全係數，與衛星和運載的成熟度有關， 一般取1.25(較成熟) 或1.5 (新研製)。
第三步計算最大總支反力。
因為作用在衛星質心處的準靜態載荷有多種工況，所以應按第一步和第二 步計算出的每一種工況下的衛星-運載對接面的支反力計算得到最大總支反力， 即
N二N^ +N2
然後取N的最大值Nmax=Max ( N )即為總支反力。 第四步在對接面附近位於橫向和法向準靜態載荷產生的最大支反力處 (共4個位置，橫向和法向各2個，分別對應衛星-運載對接面上產生的支反力
的最大點)粘貼應變片。通過定頻振動試驗，測得衛星-運栽對接面的應變值Ea
(對應加速度量級為a的輸入載荷)與對應的衛星-運載對接面支反力Na的比 例關係。試驗時應考慮到不同的應用需求和可能遇到的各種情況，針對每一種 需求和情況分別進行試驗，以獲取各種條件下的比例關係。
定頻的頻率值應儘可能低，最高不得大於整星固有振動頻率的0.5倍。定 頻振動試驗的輸入載荷量級一般定三級，a， 2.0a和4.0a。每次試驗至少進行
三次，每個應變值取三次試驗測得的平均值￡3， S2,Qa和E4.0a。
在軸向振動試驗時，觀察所有四個應變片的應變值隨載荷變化的線性趨勢，
取線性趨勢最好的那個應變片的應變值進行下一步計算。
在橫向或法向振動試驗時，觀察沿試驗方向上的兩個應變片的應變值隨載
荷變化的線性趨勢，取線性趨勢最好的那個應變片的應變值進行下一步計算。
通過以下兩式計算對應加速度量級為a的輸入載荷的衛星-運載對接面支
9反力為
Na=agM/2 7iR，或Na= agMH/n R2 (式中各參數的定義同前所述)
從而獲得Ea/Na的數值。理論上，對於線性系統，Sa/Na的數值應該與￡2.0a /N2.oa、 ".0a/N4.0a的數值一致，也應該與任意時刻下的￡/N的數值一致，若經過 實驗發現數值不一致，則應當調整應變片的位置，使得￡3/1\13的數值與￡2.0a /N2.0a、 S4.0a/N4.Qa的數值一致。
第五步確定衛星整體振動試驗時應變S的門檻值emax。
￡max=eANmax/NA,其中Nmax為衛星與運載對接面之間的最大對接面支反力，
NA為輸入載荷加速度量級為A時衛星與運載對接面之間的對接面支反力，￡A
為與NA對應的應變。SA/NA也即為第四步中獲得的比例關係。Emax的值就^L要 進行應變控制的門檻值。
第六步通常，應變信號在測試傳輸通道上屬於比較弱的信號，很容易被 幹擾，或被疊加上其他噪聲。因此，在正式試驗之前，取Emax的0.25倍作為應
變下凹控制的預演控制門樣值，取鑑定載荷的0.25倍作為載荷輸入量級。該項
測試進行兩次，觀察控制通道內的是否存在噪聲，確保反饋控制通道的潔淨， 使試驗更安全。
第七步正式試驗開始，按照載荷輸入要求加載，反饋控制應變片的應變
值，使得應變值《Sm欲的值，也就是衛星結構不超過設計載荷。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1、整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法，其特徵在於步驟如下(1)確定衛星與運載對接面之間的對接面支反力最大值Nmax；(2)確定不同情況下衛星與運載對接面之間產生的應變ε與對接面支反力N的比例關係；(3)根據步驟(1)和步驟(2)的結果確定衛星整體振動試驗時應變ε的門檻值εmax；(4)衛星整體振動試驗時，根據衛星與運載對接面之間產生的應變ε的變化情況施加輸入載荷，輸入載荷時保證由輸入載荷引起的衛星與運載對接面之間的應變ε小於門檻值εmax。
2、 根據權利要求1所述的整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法，其特徵在於所述步驟(1 )中確定對接面支反力最大值Nmax的方法為分別計算作用於衛星質心處的不同軸向準靜態載荷引起的衛星與運載對接面的支反力A,以及不同法向準靜態載荷引起的衛星與運載對接面的支反力N2,而後選取 兩者之和的最大值作為對接面支反力N的最大值，即Nmax=MAX ( N^N2)。
3、 根據權利要求2所述的整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法，其 特徵在於所述的作用於衛星質心處的軸向準靜態載荷引起的衛星與運載對接 面的支反力Nh的計算公式為N,-Mg (kPrP0) /2ttR 其中M為衛星總質量，g為重力加速度常數，R為衛星與運載對接面的半徑， Pi為軸向過載係數，Po為衛星自重載荷，k為安全係數，k的取值範圍為 1.25~1.5。
4、 根據權利要求2所述的整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法，其 特徵在於所述的作用於衛星質心處的法向準靜態載荷引起的衛星與運載對接 面的支反力Nz的計算公式為formula see original document page 2其中M為衛星總質量，g為重力加速度常數，R為衛星與運載對接面的半徑， P2為法向過載係數，H為由對接面算起的衛星質心高度，k為安全係數，k的 取值範圍為1.25~1.5。
5、 根據權利要求1或2所述的整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法， 其特徵在於所述步驟(2)中確定應變￡與對接面支反力N的比例關係的方 法為釆用靜力的或動力的定頻振動試驗，定頻的頻率不大於衛星固有振動頻 率的0.5倍，定頻振動試驗時輸入載荷的加速度量級分a、 2.0a和4.0a三級，對於每一個加速度量級至少進行三次試驗，衛星與運載對接面的應變值Ea, ￡2.0a和￡4.03取試驗測得數據的平均值；同時通過公式Na= agM/2丌R或Na= agMH/ 7iF^計算當輸入載荷加速度量級為a時的衛星與運載對接面的支反力Na,同 理獲得當輸入載荷加速度量級為2.0a、 4.0a時衛星與運載對接面的支反力 N2.oa 、 N4.oa ，從而獲得應變￡與對接面支反力N的比例關係 E/N=￡a/Na=￡2.0a/N2a=￡4.0a/N4.0a，公式中M為衛星總質量，g為重力加速度常數， R為衛星與運載對接面的半徑，H為由對接面算起的衛星質心高度。
6、 根據權利要求1或2所述的整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法， 其特徵在於所述步驟(3)中衛星整體振動試^r時應變￡的門4監值￡max的計算 方法為￡max=ANmax,其中Nmax為步驟(1)中計算得到的衛星與運載對接面 之間的對接面支反力最大值，A為步驟(2)中計算得到的衛星與運載對接面之 間產生的應變E與對接面支反力N的比例關係。
全文摘要
整星試驗中基於應變反饋的載荷輸入方法，步驟為(1)確定衛星與運載對接面之間的對接面支反力最大值Nmax；(2)確定不同情況下衛星與運載對接面之間產生的應變ε與對接面支反力N的比例關係；(3)根據步驟(1)和步驟(2)的結果確定衛星整體振動試驗時應變ε的門檻值εmax；(4)衛星整體振動試驗時，根據衛星與運載對接面之間產生的應變ε的變化情況施加輸入載荷，輸入載荷時保證由輸入載荷引起的衛星與運載對接面之間的應變ε小於門檻值εmax。本發明方法不需要複雜的計算模型和仿真計算，操作簡單，載荷輸入精度高。
文檔編號G01M7/00GK101498616SQ20091007826
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月24日 優先權日2009年2月24日
發明者俞偉學, 彭向中 申請人:航天東方紅衛星有限公司