再入飛行振動環(huán)境試驗等效性探討

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

再入體再入飛行過程中將經(jīng)歷氣動熱、過載、噪聲、振動等多種環(huán)境載荷綜合作用。其中，由空氣脈動壓力誘發(fā)的振動環(huán)境作為最嚴酷的再入環(huán)境之一，可導(dǎo)致再入體結(jié)構(gòu)件斷裂、電子學產(chǎn)品功能失效，從而使再入體無法在規(guī)定的時刻實現(xiàn)其完整功能[1-5]。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果也表明，振動環(huán)境導(dǎo)致產(chǎn)品的故障占所有失效問題的 70%[6]。因此，再入體開展飛行試驗前，必須首先在地面開展模擬再入飛行振動環(huán)境的實驗室試驗，以保證產(chǎn)品能夠適應(yīng)再入過程中的振動環(huán)境。

一般實驗室試驗過程中，再入體產(chǎn)品通過試驗夾具約束邊界，并與振動臺連接，通過振動臺施加振動載荷，載荷再由夾具傳遞至再入體產(chǎn)品上，激發(fā)產(chǎn)品振動響應(yīng)。實際飛行過程中，再入體為自由狀態(tài)，振動載荷由脈動壓力激勵再入體表面產(chǎn)生，進而傳遞至產(chǎn)品內(nèi)部。兩種情況下，再入體的約束狀態(tài)、載荷的作用方式等均不相同，導(dǎo)致再入體在實驗室試驗中的振動響應(yīng)與真實飛行過程中的振動響應(yīng)存在較大差異[7-13]。如何在實驗室中有效模擬再入體飛行過程中的真實響應(yīng)，不對產(chǎn)品造成嚴重“過試驗”，避免給產(chǎn)品引入不應(yīng)有的失效模式，是環(huán)境工程技術(shù)人員追求的終極目標。

文中主要以再入體飛行試驗實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了其再入飛行過程中的振動環(huán)境特性。同時與傳統(tǒng)試驗方法下實驗室振動環(huán)境試驗結(jié)果進行對比，分析了現(xiàn)有實驗室振動試驗方式在載荷空間分布、傳遞規(guī)律、頻譜特征等效模擬方面存在的不足。針對這一現(xiàn)象，探討了實驗室如何進一步提高再入飛行振動環(huán)境模擬的等效性，并結(jié)合已開展的相關(guān)研究工作對實驗室模擬的等效原則等提出了建議。

1 再入飛行振動環(huán)境特性

某再入體開展了多輪次的飛行試驗，包括不同狀態(tài)飛行試驗，其典型空間區(qū)域劃分如圖1 所示。上述飛行試驗中開展了環(huán)境參數(shù)測量，獲取了相對完整的飛行振動環(huán)境數(shù)據(jù)。

從時間歷程上看，再入飛行過程中，再入體飛行高度快速下降，大氣密度增加，導(dǎo)致飛行動壓增加，從而脈動壓力變大，如式（1）所示[14-17]。

式中：Cq為與動壓和馬赫數(shù)有關(guān)的系數(shù)；q為動壓，Pa；Ma為馬赫數(shù)；Prms為均方根脈動壓力，Pa。

由于脈動壓力是再入體振動載荷的直接誘發(fā)因素，因此再入體振動環(huán)境也將隨著飛行高度的降低，逐漸變得更加嚴酷。一般在動壓、飛行過載最大值附近，振動也將達到最大值。典型的再入體飛行再入后期，主要框上的振動載荷響應(yīng)與動壓隨時間的變化規(guī)律如圖2 所示，振動載荷響應(yīng)與過載隨時間的變化規(guī)律如圖3 所示。一般而言，對于特定再入體而言，其再入飛行規(guī)律特性基本與圖2、圖3 一致。

圖2 再入體飛行試驗實測振動及預(yù)示動壓變化規(guī)律Fig.2 Variation law of measured vibration and predicted dynamic pressure in re-entry flight test

圖3 再入體飛行試驗實測振動及過載變化規(guī)律Fig.3 Variation law of measured vibration and overload change in re-entry flight test

2 再入振動實驗室試驗方式

通常以再入體的主要連接框為加載控制基準點，并采用四點平均控制方法。同時，根據(jù)再入體飛行試驗中獲取的其他位置載荷響應(yīng)情況，選擇重要產(chǎn)品安裝框位置作為實驗室試驗?zāi)M真實飛行環(huán)境的等效目標，一般以覆蓋目標點的振動均方根加速度作為等效目標。

對于試驗控制點的加載條件，主要通過對再入體相關(guān)飛行實測振動環(huán)境數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并依據(jù)相應(yīng)規(guī)范標準制定，歸一化統(tǒng)計結(jié)果及加載量值如圖4所示。

圖4 再入體飛行振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果與地面試驗量值歸一化比較Fig.4 Normalized compararisons of re-entry flight vibration statistical results and ground test value

傳統(tǒng)加載條件是在實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值基礎(chǔ)上考慮不確定性，獲得統(tǒng)計極值。在統(tǒng)計極值基礎(chǔ)上，考慮一定裕量，獲得試驗加載條件。與飛行實測數(shù)據(jù)比較來看，傳統(tǒng)加載試驗條件通常是實測飛行環(huán)境量值的2 倍。

3 飛行實測振動環(huán)境與地面振動響應(yīng)差異分析

為分析實際飛行環(huán)境與地面模擬試驗結(jié)果的差異，主要針對再入體飛行實測數(shù)據(jù)和實驗室振動數(shù)據(jù)進行對比分析，對測點響應(yīng)特性的差異進行研究。

3.1 再入體飛行試驗實測數(shù)據(jù)分析

載荷傳遞規(guī)律方面，再入體結(jié)構(gòu)將載荷由連接框傳遞至內(nèi)部安裝支架，再到阻尼板上，基本呈現(xiàn)衰減特性，且阻尼板衰減更加明顯。再入體試驗彈飛行試驗數(shù)據(jù)歸一化結(jié)果見表1。

表1 再入體飛行不同位置響應(yīng)數(shù)據(jù)比較Tab.1 Comparisons of response data for various loacations in a re-entry flight test

頻譜特征方面，再入體飛行過程中，無論是軸向，還是橫向，高頻載荷在傳遞過程中基本無放大，并有一定程度的衰減，如圖5 和圖6 所示。

圖5 自由飛行狀態(tài)下安裝支架與后框軸向振動傳遞關(guān)系Fig.5 Vibrational transfer relationship between mounting bracket and rear frame in free flight (axial direction)

圖6 自由飛行狀態(tài)下安裝支架與后框橫向振動傳遞關(guān)系Fig.6 Vibrational transfer relationship between mounting bracket and rear frame in free flight (laterally direction)

3.2 再入體實驗室試驗數(shù)據(jù)分析

實驗室試驗過程中，載荷的傳遞規(guī)律和頻譜規(guī)律與實際飛行過程存在較大的差異。

安裝支架位置相對振動載荷主要輸入框，雖然在1000 Hz 之前未出現(xiàn)明顯放大，但是在1000 Hz 以后的高頻段出現(xiàn)嚴重的振動放大，如圖7 和圖8 中點劃線曲線所示。其中圖7 為軸向試驗結(jié)果，圖8 為橫向試驗結(jié)果。這與實際飛行過程中的載荷傳遞規(guī)律是相反的。對于阻尼板而言，由于剛性較小，實驗室振動臺激勵載荷作用下，在70 Hz 頻段附近出現(xiàn)了實際飛行過程中沒有的放大現(xiàn)象。而在100 Hz 以后，由于阻尼作用，出現(xiàn)了相對輸入框明顯的衰減現(xiàn)象。衰減現(xiàn)象也比實際飛行過程中的衰減現(xiàn)象更加明顯，如圖7 和圖8 中的虛線所示。

我正陶醉在這美麗的月色中時，媽媽的車突然停了下來，只見這戶人家院門大開，院子中間放著一張桌子，桌子上擺著許多祭拜月神的食品。但是這家的主人像個門衛(wèi)一樣守在門口，讓我不好下手呀，媽媽禮貌地詢問：“你好，我們可以到你家‘摸秋’嗎？”阿姨友好地回答：“當然可以，進來吧！”我慢慢地下了車，怯生生地走到了她家院子里，挑了一個大大的蘋果，謝過阿姨后就離開了。

圖7 安裝支架及阻尼板相對輸入框傳遞關(guān)系（軸向）Fig.7 Transitive relation between mounting bracket and damping plate relative to input frame (axial direction)

圖8 安裝支架及阻尼板相對輸入框傳遞關(guān)系（橫向）Fig.8 Transitive relation between mounting bracket and damping plate relative to input frame (laterally direction)

上述地面振動環(huán)境試驗結(jié)果明顯表現(xiàn)出安裝支架放大，阻尼板衰減的現(xiàn)象，在其他飛行器研制中也存在相同情況，即地面振動環(huán)境試驗時主要連接框輸入大，剛性支架響應(yīng)大，阻尼減振板響應(yīng)相對較小。

上述分析結(jié)果表明，在剛性連接或包夾緊固約束、四點平均控制等試驗實施策略下，再入體實驗室振動環(huán)境試驗中產(chǎn)品響應(yīng)特性與其實際飛行狀態(tài)（自由體、面載荷等）下的響應(yīng)存在一定差異。因此應(yīng)進一步分析再入體飛行過程中的真實載荷空間分布規(guī)律、頻譜特征，提出實驗室振動試驗?zāi)M實際飛行振動環(huán)境的等效目標或原則，作為開展實驗室振動試驗夾具優(yōu)化、試驗方法改進的前提[18-21]。

4 再入飛行振動環(huán)境等效因素探討

根據(jù)再入體飛行振動環(huán)境特性及傳統(tǒng)地面振動環(huán)境試驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可知，為在地面振動環(huán)境試驗中高保真地模擬實際飛行振動環(huán)境載荷及效應(yīng)，需綜合考慮以下幾方面因素。

4.1 載荷空間分布規(guī)律

實測振動環(huán)境數(shù)據(jù)表明，再入體再入飛行過程中，振動環(huán)境沿軸線方向由小端到大端逐步增大。這在大量飛行試驗實測環(huán)境中均有體現(xiàn)，再入體實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計歸一化結(jié)果見表2。

表2 再入體飛行實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistical results of measured re-entry flight data

因此，在地面振動環(huán)境試驗實施時，應(yīng)盡量控制再入體振動載荷沿軸線的空間分布規(guī)律與實際飛行試驗傳遞特性保持一致。

綜上所述，在試驗可實施的情況下，地面振動環(huán)境試驗需考慮以下因素：

1）根據(jù)實測數(shù)據(jù)情況，盡量沿著再入體軸線方向選擇多個位置作為控制激勵或等效目標，如在再入體前、中、后段各選擇1 個位置點。

2）在保證各點的振動均方根加速度均可覆蓋的前提下，盡量使實驗室試驗中各位置點的振動傳遞特性與實際飛行過程中的比例關(guān)系一致。

4.2 頻域分布特性

就安裝支架及阻尼板上的振動頻域載荷而言，傳統(tǒng)地面實驗室試驗中，關(guān)鍵儀器設(shè)備敏感頻段的頻譜放大特性與實際飛行中環(huán)境載荷特征也存在較大差異。因此，地面振動試驗時，需要考慮在再入體輸入邊界上進行響應(yīng)頻譜峰值控制，避免關(guān)鍵產(chǎn)品出現(xiàn)在部分頻段上響應(yīng)放大等“過試驗”現(xiàn)象，也是實驗室模擬飛行振動的一個重要目標。

5 結(jié)論

綜合上述相關(guān)探討和分析，為在實驗室實現(xiàn)再入飛行振動環(huán)境的等效模擬，應(yīng)考慮以下原則。

1）盡量選擇多個目標點。沿再入體特定軸線，選取有限個典型位置點作為振動等效目標點，例如再入體前、中、后段內(nèi)各1 點。

2）目標點振動均方根加速度應(yīng)滿足覆蓋性要求。為保證實驗室試驗驗證的充分性，目標點上的振動總能量須覆蓋實際飛行振動環(huán)境，是實驗室振動等效的前提。

3）建議將目標點振動均方根加速度的比例關(guān)系與實際飛行過程中的空間分布關(guān)系作為等效目標之一。

4）在均方根加速度比例關(guān)系等效的前提下，可考慮將頻譜峰值特性的一致性作為振動等效的更高等效目標。