太陽電池陣運輸過程的振動環(huán)境及可靠性分析

張 華，宗益燕

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

運輸是衛(wèi)星壽命剖面中的一個重要組成部分。運輸誘發(fā)的振動環(huán)境對衛(wèi)星尤其是大型結(jié)構(gòu)部件有潛在影響，因此對運輸過程的振動響應(yīng)進行實時監(jiān)測和分析具有重要意義。

太陽電池陣作為衛(wèi)星上的結(jié)構(gòu)大部件，受包裝箱尺寸、星體布局、工裝支撐方式等的限制，有單獨運輸（如“風(fēng)云二號”衛(wèi)星）和安裝在星上隨整星運輸（如“風(fēng)云四號”衛(wèi)星）2 種方案。常用的運輸方式有公路、鐵路和空中運輸3 種，后續(xù)還可能會涉及海上運輸。同一衛(wèi)星型號可能采用其中的一種或幾種運輸方式。運輸時，產(chǎn)品安裝在專用的包裝箱內(nèi)，公路運輸時包裝箱放置在卡車車廂內(nèi)或 平板車上；鐵路運輸時，放置在儀器車廂內(nèi)或火車平板上、專用? 車廂內(nèi)；空運采用運輸機。衛(wèi)星及其產(chǎn)品在運輸過程中會受到隨機激勵、周期性激勵和偶然事件的影響[1]。為節(jié)省人力、物力和時間，國內(nèi)外許多單位都在研制運輸模擬器開展物理仿真研究，但還處于研制、試驗階段，遠不能滿足衛(wèi)星型號的使用要求[1-2]；或者采用仿真分析的方法對運輸振動響應(yīng)和減振進行建模，但建模的準確度還有待提高[3-7]。

本文分析了太陽電池陣單獨運輸和裝星運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)測量結(jié)果，并與地面試驗數(shù)據(jù)進行比較，給出了可靠性分析的結(jié)果，可為太陽電池陣運輸方案的選擇提供參考。

1 運輸振動響應(yīng)的測量

太陽電池陣單獨運輸時，將其收攏壓緊在模擬墻上，模擬墻通過鋼絲繩減振器或無諧振峰減振器連接固定在包裝箱內(nèi)的安裝支座上；外部用鋼絲繩對包裝箱進一步緊固?？赏ㄟ^在模擬墻上布置的振動傳感器測量和記錄運輸過程中的振動響應(yīng)情況，如圖1所示。

圖1 太陽電池陣單獨運輸傳感器布置示意圖 Fig.1 Sensor arrangement of solar array transported alone

太陽電池陣裝星運輸時，通過太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)和火工品壓緊桿固定于衛(wèi)星側(cè)板。衛(wèi)星采用工藝環(huán)與箱底安裝板連接，并在箱底安裝板與包裝箱之間用無諧振峰減振器或鋼絲繩減振器連接。同時又在包裝箱底部墊橡膠減振塊，用鋼絲繩拉緊固定于平板車上。振動響應(yīng)通過在上述位置所布置的振動傳感器進行測量，如圖2所示。

圖2 太陽電池陣裝星運輸傳感器布置示意圖 Fig.2 Sensor arrangement of solar array transport with satellite

太陽電池陣運輸過程中振動響應(yīng)的方向定義如圖3所示。

圖3 太陽電池陣運輸各方向的定義 Fig.3 Directions in solar array transportation

2 運輸振動響應(yīng)分析

隨運輸方式、安裝、加固和減振方式等的不同，太陽電池陣的振動響應(yīng)情況也各不相同。

2.1 運輸方式及其激勵環(huán)境的比較

2.1.1 鐵路運輸與公路運輸

圖4給出了“遙感十九號”衛(wèi)星太陽電池陣運輸全過程中豎直方向的振動響應(yīng)情況，可知：

1）該太陽電池陣經(jīng)歷了“公路+鐵路+公路”的運輸激勵環(huán)境；

2）公路運輸?shù)乃矔r沖擊平均約為1g，從火車站至發(fā)射場的公路運輸過程中最大瞬時沖擊達到2g；鐵路運輸瞬時沖擊約為0.2g，且運輸過程中的振動環(huán)境較公路運輸更為平穩(wěn)。

圖4 “遙感十九號”衛(wèi)星太陽電池陣傳感器豎直方向振動響應(yīng) Fig.4 The vertical random responses of YG-19 satellite solar array

2.1.2 空中運輸與公路運輸

“實踐十六號”采取空中和公路相結(jié)合的運輸方式。在運輸全過程中振動傳感器測得的各方向振動響應(yīng)平均值和最大值見表1。圖5給出了豎直方向振動響應(yīng)情況。從表1和圖5中數(shù)據(jù)可知：

1）在行車方向和晃動方向，空中運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)的平均值和最大值與公路運輸基本相當，且都不大于1g；而豎直方向，空中運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)的平均值（0.07g）和最大值（0.4g）都遠小于公路運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)情況。

2）在力學(xué)穩(wěn)定性方面，空中運輸在豎直方向的振動響應(yīng)較為穩(wěn)定，主要分布在0～0.1g的范圍內(nèi)，僅在遇有氣流而導(dǎo)致飛機顛簸的情況下瞬時沖擊值為0.2g、0.3g和0.4g（僅一次）；而公路運輸?shù)呢Q直方向振動響應(yīng)分布較為離散，記錄的響應(yīng)值因受路面影響而波動較大。

3）綜合考慮路況、車速等因素的影響發(fā)現(xiàn)，廠房至機場的振動響應(yīng)要明顯優(yōu)于機場至發(fā)射場路段，尤其在豎直方向的響應(yīng)差別更為明顯，分析認為廠房至機場公路段的路面平整度較好，且受車 流和紅綠燈的影響而車速較慢；而機場至發(fā)射場的路面狀況稍差，且因路面車輛少所以車速快。

表1 “實踐十六號”衛(wèi)星運輸響應(yīng) Table1 The vibration responses in SJ-16 satellite transportation

圖5 “實踐十六號”運輸過程豎直方向振動響應(yīng) Fig.5 The vertical vibration responses in SJ-16 satellite transportation

2.2 運輸過程振動響應(yīng)分析

2.2.1 振動響應(yīng)頻率分析

將振動傳感器各點測得的時域數(shù)據(jù)進行FFT頻譜變換，可得到其在頻域上的分布情況。圖6給出了“實踐十六號”衛(wèi)星在運輸過程中各方向的頻域響應(yīng)。由圖6可知：

1）衛(wèi)星各測點共振頻率集中在20 Hz 以內(nèi)，水平方向的振動頻率主要為4.10、16.60 Hz，豎直方向的共振頻率主要為2.73、3.64 和16.54 Hz，運輸過程的振動響應(yīng)主要為低頻振動；

2）衛(wèi)星安裝界面豎直方向在16.6 Hz 附近共振，其最大幅值為0.055g，經(jīng)分析是由于衛(wèi)星和連接工裝的一階彎曲固有頻率所致。

圖6 “實踐十六號”衛(wèi)星運輸各方向頻域響應(yīng) Fig.6 The responses in frequency domain in SJ-16 satellite transportation

2.2.2 振動響應(yīng)的量級分析

圖7為“風(fēng)云三號”衛(wèi)星太陽電池陣鐵路運輸過程中行車方向和豎直方向的振動響應(yīng)。由圖7可知：

1）行車方向的最大沖擊響應(yīng)為0.8g，豎直方向的最大沖擊響應(yīng)為3.8g，且由前文分析可知均為20 Hz 以內(nèi)的低頻沖擊，均小于出廠前地面整星力學(xué)試驗時太陽電池陣壓緊點處約5g（橫向約15 Hz、縱向約60 Hz）的振動響應(yīng)；

2）在行車方向的平均沖擊響應(yīng)值約為0.3g，豎直方向的平均沖擊響應(yīng)約為0.65g，即與縱向響應(yīng)相比，由于軌道路面的不平以及行駛過程中的啟動、剎車等造成的橫向動力學(xué)響應(yīng)量級要小。

圖7 “風(fēng)云三號”太陽電池陣行車方向和堅直方向的 振動響應(yīng) Fig.7 The vibration responses in driving direction and vertical direction separately in the FY-3 satellite solar array transportation

2.3 隔振方式比較

衛(wèi)星整星運輸時，包裝箱底部常用橡膠減振塊，而衛(wèi)星的箱底安裝板與包裝箱之間則采用無諧振峰減振器或鋼絲繩減振器。運輸過程中，振動響應(yīng)從平板車到工藝環(huán)與包裝箱連接界面經(jīng)歷橡膠減振塊、無諧振峰式減振器或鋼絲繩減振器的作用，傳遞路徑是：平板車底板→包裝箱減振器下方→包裝箱減振器上方→太陽電池陣壓緊點。

圖8和圖9分別為“遙感十九號”和“遙感十八號”衛(wèi)星在各方向的隔振情況。由圖中數(shù)據(jù)可看出不同隔振方式的隔振效果不盡相同：

1）經(jīng)過橡膠減振塊隔振后，水平和豎直方向的隔振效果明顯；而鋼絲繩減振后兩方向的振動響應(yīng)均有小幅放大；

2）經(jīng)過無諧振峰減振器后，水平方向的振動量級有一定程度的減小，而豎直方向的隔振效果明顯。

橡膠減振塊具有良好的彈性和足夠的強度，可以使隔振系統(tǒng)有很低的固有頻率和較高的阻尼，但其抗環(huán)境污染與抗溫度變化能力較弱，壽命較短。使用鋼絲繩減振器和無諧振峰減振器能將隔振基礎(chǔ)的固有頻率設(shè)計得很低，從而對于高頻的隔振效果很好，但由于其阻尼較小，所以會造成隔振基礎(chǔ)以固有頻率擺動，從而使得水平方向的響應(yīng)有所放大。一般在應(yīng)用時，建議將鋼絲繩減振器或無諧振峰減振器與橡膠減振塊聯(lián)合使用，這樣對于高頻振動提供了較大的阻尼和消耗，對于低頻振動也不會產(chǎn)生較大的放大。

圖8 “遙感十九號”衛(wèi)星各方向減振效果比對 Fig.8 The damping in each direction of YG-19 satellite

圖9 “遙感十八號”衛(wèi)星各方向減振效果比對 Fig.9 The damping in each direction of YG-18 satellite

3 運輸可靠性分析

運輸過程的可靠性分析主要是研究太陽電池陣單獨運輸和裝星運輸?shù)恼駝恿考墸容^其與地面試驗時類似位置的響應(yīng)量級，并對運輸全過程的疲勞損傷進行評估。

3.1 單獨運輸與裝星運輸響應(yīng)的比較

表2給出了“風(fēng)云三號”衛(wèi)星太陽電池陣單獨運輸和“遙感十八號”整星運輸時太陽電池陣壓緊點處的振動響應(yīng)。由于二者均采用了“公路+鐵路+公路”的運輸方式，運輸?shù)牡缆芬蚕嗤?，所以?shù)據(jù)具有可比性。從表2可知：

1）在水平方向上，行車方向的太陽電池陣裝星運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)平均值和最大值稍小于單獨運輸?shù)捻憫?yīng)，但相差不大；晃動方向的響應(yīng)平均值和最大值量級大小基本一致。

2）在豎直方向上，裝星運輸?shù)捻憫?yīng)平均值和最大值分別為0.27g和0.63g，優(yōu)于單獨運輸時的響應(yīng)平均值（0.65g）和最大值（3.8g）。

3）由于運輸過程的車速和車輛狀況不完全相同，安裝和隔振設(shè)置也不同，而且地面運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)一般均為20 Hz 以內(nèi)的低頻振動，所以可認為太陽電池陣單獨運輸和裝星運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)量級基本相當，無明顯差異。

表2 太陽電池陣單獨運輸和整星運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)比對 Table2 Vibration response comparison between solar array transportation alone and with whole satellite

3.2 運輸與地面試驗的比較

圖10～圖12給出了“遙感十八號”衛(wèi)星測得的x、y、z三個方向的頻率特性曲線，其中，整星運輸時的測點5 和7 的位置為太陽電池陣壓緊點處。由圖可知：

1）整星運輸時太陽電池陣壓緊點處三個方向的振動峰值響應(yīng)分別為0.009g、0.019g和0.007g，而地面試驗時相同位置處的峰值響應(yīng)分別為1.92g、2.10g和3.19g，即由于輸入激勵較小和隔振裝置的隔振效果，運輸過程中的振動響應(yīng)遠小于地面試驗時的響應(yīng)。

2）整星運輸時由于衛(wèi)星和包裝箱的隔振裝置阻尼的影響，整個系統(tǒng)的一階頻率較低，三個方向的系統(tǒng)一階頻率分別為2.93、3.13 和3.52 Hz，低于整星地面試驗時的一階響應(yīng)頻率（15.10、15.96 和41.69 Hz），也低于地面試驗時振動臺的起振頻率（5 Hz）。

圖10 “遙感十八號”太陽電池陣壓緊點x 向振動響應(yīng) Fig.10 The x random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test

圖11 “遙感十八號”太陽電池陣壓緊點y 向振動響應(yīng) Fig.11 The y random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test

圖12 “遙感十八號”太陽電池陣壓緊點z 向振動響應(yīng) 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

假定衛(wèi)星在運輸過程中受到平穩(wěn)的隨機振動， 則根據(jù)文獻[1]的經(jīng)驗公式（a為正 弦激勵的加速度峰值；fn為固有頻率；W為加速度功率譜密度）并結(jié)合表1和圖5“實踐十六號”衛(wèi)星運輸過程的測量數(shù)據(jù)可知：在平穩(wěn)路況下，無瞬時沖擊時運輸過程的振動響應(yīng)量級約為0.1g，遠小 于整星地面正弦振動試驗時產(chǎn)品上約5g的響應(yīng)。

當損傷機理為疲勞破壞時，可采用加速試驗縮短試驗時間，加速因子為應(yīng)力水平，如圖13所 示[1]。由圖可知：在相當?shù)钠趽p傷下，當振動量級為原值的1/3 時，試驗時間需延長1000 倍；當振動量級遞減到原值的1/100 時，試驗時間需延長到109倍。而整星地面振動試驗時間一般約1～ 2 min，運輸時間不超過100 h，即運輸時間約為振動試驗時間的104倍，遠小于產(chǎn)生相當疲勞損傷所需的109倍的時間。因此，可認為太陽電池陣運輸過程中累積的振動疲勞損傷遠小于整星地面試驗對產(chǎn)品的影響，即運輸不會對太陽電池陣產(chǎn)生疲勞損傷。

圖13 疲勞損傷加速試驗曲線 Fig.13 The curve of fatigue damage acceleration test

4 結(jié)束語

運輸是太陽電池陣發(fā)射前必須經(jīng)歷的環(huán)境，通過對其運輸過程中的實測振動響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析，可從力學(xué)環(huán)境角度為太陽電池陣運輸方案的選擇提供參考。從單獨運輸、裝星運輸和地面試驗的數(shù)據(jù)比對可以看出：太陽電池陣單獨運輸和裝星運輸?shù)恼駝禹憫?yīng)量級基本相當；運輸過程的振動響應(yīng)量級遠小于地面試驗時的振動響應(yīng)量級；經(jīng)疲勞分析，運輸不會對太陽電池陣產(chǎn)生疲勞損傷。

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