太陽電池陣隨機振動試驗高頻 超差特性分析與優(yōu)化

沈志強，方貴前，馮咬齊，朱子宏，李 曄

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

在多次小衛(wèi)星太陽電池陣的垂直向隨機振動試驗中，均出現(xiàn)不同程度的超差現(xiàn)象，嚴重時總方均根試驗值達到了參考值的1.5 倍，造成過試驗。為使太陽電池陣在地面試驗中能得到更加真實可靠的考驗，本文在分析高頻超差原因的基礎(chǔ)上，研制了輔助擴展臺面以代替花盆，用來解決高頻超差問題。

1 太陽電池陣高頻超差原因分析

引起小衛(wèi)星太陽電池陣隨機振動試驗超差的可能原因參見圖1所示的故障樹[1-2]。試驗所使用的儀器設(shè)備均經(jīng)過二級以上計量單位標定合格，控制點位置和控制方式也是按照試驗要求進行，因此可以排除這兩方面因素的影響，著重研究工裝特性和產(chǎn)品自身特性的影響。

圖1 太陽電池陣隨機超差故障樹Fig.1 The fault tree of excess tolerance of a solar array

1.1 工裝特性

1.1.1 花盆特性分析

太陽電池陣振動試驗使用的花盆原本是為整星正弦振動試驗而設(shè)計的，是否適合用于隨機振動試驗需要驗證。因此，對花盆特性進行了試驗驗證分析，在花盆的兩個互為90°的邊上粘貼兩個測量傳感器，如圖2所示。

圖2 花盆上傳感器安裝位置Fig.2 The sensor positions on the flowerpot fixture

采用動圈上一點控制，分別對花盆進行掃頻試驗和隨機振動試驗（隨機振動試驗條件與太陽電池陣隨機振動試驗相同）：掃頻試驗條件如表1所示，隨機振動試驗條件如表2所示，試驗結(jié)果如圖3、圖4所示?？梢钥闯觯ㄅ柙?000 Hz 以內(nèi)有較多的共振頻率，且隨機振動試驗進行到-3 dB 時功放推力達到極限，無法進行滿量級試驗，表明花盆隨機試驗特性差。

表1 特征級試驗條件Table 1 The conditions of feature-level test

表2 隨機振動驗收級試驗條件Table 2 The conditions of acceptance level random vibration test

圖3 花盆垂直向特征級掃頻試驗曲線Fig.3 The vertical feature-level test curve for the flowerpot fixture

圖4 花盆垂直向隨機振動試驗曲線（-3 dB）Fig.4 The vertical random vibration test curve for the flowerpot fixture (-3 dB)

1.1.2 花盆與模擬墻組合體特性分析

進行花盆與模擬墻組合體的力學試驗時，試驗控制完全按照太陽電池陣真實的力學環(huán)境試驗條件進行，連接支座上粘貼測量傳感器A1，中心上粘貼測量傳感器A2。測點位置如圖5所示。

圖5 模擬墻上測點位置Fig.5 The sensor layout on the simulated wall

試驗控制曲線及測點響應(yīng)曲線如圖6、圖7所示，從試驗曲線上可以看出：

1）花盆與模擬墻組合體的一階固有頻率僅為160 Hz；

2）隨機試驗時高頻超差明顯，超差形式和趨勢與太陽電池陣隨機振動試驗結(jié)果相似。

圖6 花盆與模擬墻組合體特征級試驗曲線Fig.6 The feature-level test curve for the combination of flowerpot fixture and simulated wall

圖7 花盆與模擬墻組合體隨機振動試驗曲線Fig.7 The random vibration test curve for the combination of flowerpot fixture and simulated wall

1.2 太陽電池陣自身特性

太陽電池陣隨機振動試驗中花盆的安裝如圖8所示。比較花盆與模擬墻組合體試驗曲線（圖7）和太陽電池陣試驗曲線（圖9）后發(fā)現(xiàn)，有無太陽電池陣產(chǎn)品，隨機振動試驗超差的頻率范圍和趨勢均相似，表明太陽電池陣自身特性對試驗超差影響很小。

圖8 太陽電池陣振動試驗垂直向安裝圖Fig.8 The vertical vibration test of a solar array

圖9 太陽電池陣垂直向隨機試驗控制曲線Fig.9 Randomized trial control curve for the solar array

1.3 原因定位

通過分析，排除了設(shè)備特性、控制方式和產(chǎn)品自身特性的影響，造成小衛(wèi)星太陽電池陣超差主要有以下兩方面原因：

1）花盆的設(shè)計不適用于隨機振動試驗；

2）花盆與模擬墻組合后，組合體一階固有頻率低，2000 Hz 以內(nèi)共振點多，放大倍數(shù)大，進一步影響了其組合體特性，這是引起試驗超差的主要原因。

2 解決方案

2.1 輔助擴展臺面設(shè)計方案

研制了一個輔助擴展臺面代替花盆與模擬墻連接，輔助擴展臺面（如圖10所示[3-6]）具有與水平滑臺相同的接口尺寸。

圖10 輔助擴展臺面設(shè)計圖Fig.10 The design of auxiliary extending table

模擬墻通過48 個M12 的螺釘與輔助擴展臺面連接，試驗工裝與模擬墻的接觸為面接觸，在模擬墻的4 個壓緊座附近及中心區(qū)域均有螺釘連接固定，輔助擴展臺面可為模擬墻提供良好的固定邊界，改善連接特性[7]。同時為降低輔助擴展臺面共振頻率點的放大倍數(shù)，減少推力損失，輔助擴展臺面材料擬采用質(zhì)量阻尼比較好的鎂合金，并填充具有減振吸能效果好的泡沫材料。

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 不帶模擬墻的模態(tài)分析

對輔助擴展臺面和花盆進行了有限元分析，其中輔助擴展臺面模態(tài)頻率見表3，花盆模態(tài)頻率見表4。有限元方法分析高頻時不是很精確，但是可以觀察其頻率分布趨勢，如圖11所示。

表3 輔助擴展臺面的模態(tài)頻率Table 3 The modal frequency of auxiliary extending table

表4 花盆的模態(tài)頻率表Table 4 The natural frequency of flowerpot fixture

圖11 模態(tài)分布圖Fig.11 The modal distribution diagram

由表3、表4以及圖11可以看出，輔助擴展臺面的模態(tài)頻率遠高于花盆的模態(tài)頻率，其在1000～2000 Hz 頻率范圍內(nèi)的模態(tài)數(shù)少于花盆的模態(tài)數(shù)。因此采用輔助擴展臺面進行太陽電池陣振動試驗，可提高一階頻率，降低模態(tài)密度，有效減少試驗超差。

2.2.2 與模擬墻組合體模態(tài)分析

利用有限元計算分析得到兩種連接工裝分別與模擬墻的組合體的垂直一階固有頻率如表5所示。

表5 與模擬墻組合體垂直一階固有頻率Table 5 The first order natural frequency of the simulated wall combination

從表5可看出，輔助擴展臺面與模擬墻組合體的一階固有頻率要高于花盆與模擬墻組合體的一階固有頻率，輔助擴展臺面與模擬墻組合體的動力學特性更好。

3 試驗分析

3.1 輔助擴展臺面特性試驗

采用動圈上單點控制的方式分別對輔助擴展臺面和花盆進行了正弦掃頻試驗，擴展臺面上測量點位置如圖12所示，試驗結(jié)果如圖13所示；花盆的試驗結(jié)果如1.1 節(jié)所述；試驗結(jié)果對比見表6。

圖12 輔助擴展臺面上測量傳感器位置Fig.12 The sensor positions on the auxiliary extending table

圖13 輔助擴展臺面垂直向特征級掃頻試驗曲線Fig.13 The vertical feature-level test curve for the auxiliary extending table

表6 不帶模擬墻的試驗結(jié)果Table 6 The test results for the flowerpot fixture and the auxiliary extending table

輔助擴展臺面和花盆的動力學試驗表明：

1）輔助擴展臺面的一階固有頻率高于花盆的一階固有頻率；

2）在2000 Hz 以內(nèi)，輔助擴展臺面僅有三階固有模態(tài)，遠小于花盆的模態(tài)數(shù)；

3）使用花盆進行太陽電池陣的隨機振動試驗時，由于花盆中間是空心的，中心點響應(yīng)值過大，導(dǎo)致隨機振動試驗高頻超差嚴重，輔助擴展臺面的中心點響應(yīng)值小于邊緣點響應(yīng)值，可以有效解決這一問題；

4）從試驗曲線可以看出，輔助擴展臺面的高頻段的響應(yīng)特性與花盆相比有較大的改善。

3.2 輔助擴展臺面與模擬墻組合體試驗

在進行輔助擴展臺面與模擬墻組合體的力學試驗時，試驗控制方式完全按照太陽電池陣真實的力學環(huán)境試驗進行。在連接支座和中心上分別粘貼測量傳感器A1、A2，測點位置如圖5所示。試驗結(jié)果如圖14、圖15以及表7、表8所示。

圖14 輔助擴展臺面與模擬墻組合體特征級試驗曲線Fig.14 The feature-level test curve for the combination of auxiliary extending table and simulated wall

圖15 輔助擴展臺面與模擬墻組合體隨機振動試驗曲線Fig.15 The random vibration test curve for the combination of extending table and simulated wall

表7 與模擬墻組合體的正弦振動試驗結(jié)果Table 7 The sinusoidal vibration test results for the simulated wall combination

表8 與模擬墻組合體的隨機振動試驗結(jié)果Table 8 The random vibration test results for the simulated wall combination

比較輔助擴展臺面及模擬墻組合體的試驗結(jié)果與花盆及模擬墻組合體掃頻試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）輔助擴展臺面及模擬墻組合體的垂直一階固有頻率更高，且模態(tài)數(shù)更少；

2）輔助擴展臺面及模擬墻組合體上測量點的響應(yīng)值更??；

3）輔助擴展臺面及模擬墻組合體上測量點之間響應(yīng)值差別不大，保證了太陽電池陣振動試驗輸入的均勻性。

由此可以說明，輔助擴展臺面及模擬墻組合體的力學性能比花盆及模擬墻組合體的力學性能要好。

比較輔助擴展臺面及模擬墻組合體的試驗結(jié)果與花盆及模擬墻組合體隨機振動試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）隨機振動試驗時，花盆及模擬墻組合體控制曲線超差明顯，輔助擴展臺面及模擬墻組合體控制曲線僅個別點微小超差；

2）輔助擴展臺面及模擬墻組合體測點響應(yīng)值的總方均根都要遠小于花盆及模擬墻組合體的測點響應(yīng)值；

3）輔助擴展臺面及模擬墻組合體的中心點響應(yīng)值總方均根略小于連接柱上測點的響應(yīng)值；花盆及模擬墻組合體的中心點響應(yīng)值遠大于連接柱上 測點的響應(yīng)值，這也是引起太陽電池陣超差的主要原因。而輔助擴展臺面與模擬墻連接可以改變這種狀態(tài)，從而達到優(yōu)化試驗的目的。

通過公式，控制相對偏差=（帶模擬墻試驗總方均根-參考譜總方均根）÷參考譜總均方根，計算得出，花盆及模擬墻組合體進行試驗時相對于參考值的偏差達到了8.2%；而使用輔助擴展臺面則能夠有效控制隨機試驗超差量，輔助擴展臺面及模擬墻組合體總方均根為5.260g，相對于參考值僅偏差1.7%，而且只存在個別點超差，已經(jīng)控制在一個比較好的范圍內(nèi)。

3.3 太陽電池陣振動試驗

目前輔助擴展臺面已經(jīng)應(yīng)用于某型號小衛(wèi)星太陽電池陣隨機振動試驗，安裝方式如圖16所示，試驗結(jié)果如圖17所示。試驗結(jié)果表明，使用輔助擴展臺面進行太陽電池陣隨機振動試驗時，試驗控制的總方均根僅為5.156g，控制曲線也只有個別點存在微小超差，與圖9中曲線比較可以看出改善顯著。

圖16 太陽電池陣振動試驗Fig.16 The solar array vibration test

圖17 太陽電池陣隨機振動試驗控制曲線Fig.17 The random vibration test curve for the solar array

4 結(jié)論

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

1）小衛(wèi)星太陽電池陣隨機振動試驗高頻超差的主要原因是：花盆固有特性不適合做隨機振動試驗；花盆與模擬墻組合體的力學特性差。

2）垂直一階固有頻率的有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較見表9，可看出有限元計算結(jié)果誤差較小，因此可將有限元計算結(jié)果作為輔助擴展臺面設(shè)計的依據(jù)。

表9 垂直一階固有頻率的有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果Table 9 The vertical first order natural frequencies obtained by the finite element method and the vibration test

3）使用新研制的輔助擴展臺面可以為太陽電池陣模擬墻提供良好的安裝邊界，能夠有效減小太陽電池陣隨機振動試驗高頻超差量，試驗控制相對偏差有較大改善，試驗控制精度也有提高，試驗產(chǎn)品受到的考核更加真實，防止了過試驗的發(fā)生，保證了試驗質(zhì)量。

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