液浮陀螺儀過載振動復合環境試驗

吳建國，李海波，張 琪，丁 洋，馮國林

（1. 北京強度環境研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100076；2. 北京強度環境研究所，北京 100076）

液浮陀螺儀過載振動復合環境試驗

吳建國1，李海波1，張 琪2，丁 洋2，馮國林1

（1. 北京強度環境研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100076；2. 北京強度環境研究所，北京 100076）

為了驗證航天飛行器慣性制導器件在過載振動復合環境下的環境效應和適應性能力，以液浮陀螺儀為研究對象，基于剛柔耦合的多體動力學理論，簡要分析了過載振動復合環境對慣性器件的耦合影響機理。基于離心機-振動臺綜合離心試驗平臺，建立了慣性儀表過載振動復合環境試驗方法，開發了慣性儀表過載振動復合環境試驗專用采集系統，并開展了慣性儀表過載振動復合環境效應試驗研究。試驗結果表明，過載振動復合環境對慣性儀表輸出值的影響具有耦合效應。因此，對慣性儀表類產品進行環境適應性考核時，應當使用與真實飛行環境更為一致的過載振動復合環境試驗方法。

過載；振動；復合環境；環境效應；試驗方法

過載、振動、溫度以及氣動壓力等環境是航天飛行器在高速機動與再入飛行階段所經歷的典型環境因素。據不完全統計，由上述環境因素引起的產品失效比例高達 70%以上[1]。產品失效的原因可能是單一環境因素的作用，也可能是復合環境的綜合作用。所以，如何設計地面環境試驗復現產品故障成為環境試驗技術的發展重點。研究表明，復合環境比單一環境試驗更能有效地激發產品故障[2-3]。國軍標150A和美軍標810G[4]均強調復合環境比單一環境更能有效地模擬實際飛行環境效應，當實際使用過程出現多種環境因素共同作用時，鼓勵進行復合環境試驗。因此，過載振動、過載溫度、過載外壓等復合環境試驗技術受到越來越多的重視[5-8]。本文將重點闡述過載振動復合環境試驗技術的機理和實現方法。

從環境因素的作用機理看，過載振動復合環境對慣性制導設備的危害尤其顯著。譬如：航天飛行器慣性導航系統的精度偏差問題，可能是空間環境的氣流擾動、溫度或壓強等環境的變化引起的，也可能是過載振動復合環境共同作用的原因。針對該問題，眾多專家學者對陀螺儀和加速度計（慣性導航系統的核心器件）開展了結構動力學仿真與環境效應分析，綜合分析后認為，發射、機動、再入等飛行過程中的過載振動復合環境效應是影響慣性導航測量精度的主要因素[9-11]，但缺乏有效的試驗方法驗證過載振動復合環境效應對慣性導航測量精度的影響機理。

本文在北京強度環境研究所集成研制的綜合離心試驗平臺上探索了過載振動復合環境試驗方法，并以液浮陀螺儀為研究對象，開展了慣性儀表過載振動復合環境效應試驗研究，驗證了過載振動復合環境對慣性儀表輸出的耦合影響。

1 復合環境效應機理

過載振動復合環境是指航天飛行器在發射、機動或再入飛行階段所經受的過載加速度與振動加速度同時作用的綜合環境，是一種典型的靜、動載荷共同作用的環境類型。通常在靜、動載荷構成的復合環境中，大多數產品的故障是由于靜、動載荷共同作用的結果，而非單一的靜或動載荷。例如，過載振動復合環境對航天飛行器慣性導航系統的控制精度偏差有明顯的影響。原因是液浮陀螺儀等慣性儀表過載振動復合環境的綜合作用下工作時，其運動部件轉子由于過載加速度的原因會產生彈性變形。這種彈性變形會改變結構在振動環境的動態特性，進而影響慣性儀表輸出精度，具體影響機理分析如下。

1.1 多體動力學模型

慣性儀表安裝在航天飛行器儀器艙內，航天飛行器飛行時的各種載荷（如發動機推力、振動、噪聲等）通過主承力結構傳遞到儀器支架，再通過支架傳遞到慣性儀表上。此時慣性儀表的動力學分析是一個復合環境下的多體動力學問題。

圖1所示為航天飛行器慣性儀表多體動力學模型：M1、M2、M3分別表示航天飛行器的主體結構、儀器支架和慣性儀表；T為推力，fv(t)為振動輸入，均為系統的廣義外力；mi、ki、ci分別為Mi對應的質量、剛度和阻尼；a為航天飛行器的加速度。假設參考基e0的原點位于發射點，且e0=(x0, y0, z0, 1)，連體基ei與剛體Mi相連，則ei=(xi, yi, zi, 1) (i=1, 2, 3)，其中，e1初始狀態的原點與發射點重合。運動狀態中的連體基 ei與參考基e0的關系如圖2所示。

圖1 航天飛行器慣性儀表的多體動力學模型Fig.1 Multi-body dynamics model of space inertial instrument

圖2 運動狀態連體基ei與參考基e0的關系Fig.2 Relationship between eiand e0

1.2 運動方程

若相鄰連接剛體間的相對運動自由度(也即廣義坐標)為qi(i=1, 2, 3)，則M1、M2、M3構成的多體系統動力學運動方程為

式中，xi表示剛體 Mi相對參考基的廣義位移，且表示剛體Mi對應的廣義外力，且表示多體運動系統中剛體Mi對應的廣義系統內力，且qi0為qi的初始值。

1.3 復合環境效應

由文獻[9]可知，在不考慮慣性儀表的彈性形變的影響時，M3的廣義系統內力為

但實際上慣性儀表彈性形變造成的影響不容忽略。以陀螺儀為例，單自由度陀螺儀可簡化為轉子支撐系統如圖3所示。

圖3 轉子支撐系統模型Fig.3 Model of rotor support system

在對轉子支撐系統進行動力學分析時，根據剛柔耦合動力學理論可知，由于支撐系統的彈性變形，導致其動力學性質發生了改變，增加了負剛度和阻尼系數m vl，其中v是航天飛行器結構運動速度，l為轉子支撐系統中支撐梁的長度[9]。因此，轉子支撐系統還要受到附加耦合約束此時，M3的廣義力應表示為

對比式(3)和式(2)可知，若不考慮轉子梁在過載加速環境下彈性變形的影響，復合過載振動復合環境下陀螺儀等慣性儀表的輸出將會存在很大的漂移偏差，從而影響航天飛行器的控制精度。

2 復合環境模擬方法

在航天飛行器研制試驗體系的地面驗證試驗中，過載加速度環境的模擬方式主要有兩種：離心機和火箭撬。火箭橇模擬的過載加速環境與真實飛行情況更為接近，但火箭橇滑行過程中會產生不可控的附加振動環境，且試驗造價昂貴，持續時間短，環境參量可控性差，因此過載加速度環境的地面試驗常用能持續提供穩定加速度的離心試驗模擬。

本文依托北京強度環境研究所自主研發的綜合離心試驗系統（如圖4所示），開展慣性儀表過載振動復合環境試驗技術研究。該試驗系統最大過載容量為400 g·t，為目前國內最大的綜合離心試驗系統，可開展過載振動、過載外壓、過載熱等多種復合環境試驗。

圖4 過載振動復合環境試驗系統Fig.4 Test system of overload-vibration composite environment

開展過載振動復合環境試驗時，將專用振動臺與綜合離心平臺裝配組成過載振動復合環境試驗系統，過載加速度環境由離心機模擬，振動環境由安裝在離心機臂上的振動臺模擬，可開展最大過載加速度50 g，最大推力20 kN，頻率范圍20～2000 Hz的過載振動復合環境試驗。

試驗過程中可對過載與振動環境的模擬加載進行遠程操控。利用綜合離心試驗平臺的光柵測速裝置與驅動電機組成的反饋閉合回路，調節離心機轉速實現過載環境加載控制；通過工裝安裝面上的振動加速度傳感器與振動控制儀組成閉合回路，形成自反饋控制循環。另外，慣性器件的輸出電壓由慣性儀表專用測試系統采集、記錄，專用測試系統由工控機、電源、數字萬用表、信號轉接箱等組成，如圖5所示。

圖5 慣性儀表專用測試系統Fig.5 Data collection system of inertial instrument

3 復合環境試驗實例

3.1 試驗對象與目的

液浮陀螺儀是一種飛行器制導裝備中常用的單自由度慣性陀螺儀，以液浮陀螺儀為試驗對象開展過載振動復合環境試驗，對比液浮陀螺儀在單一過載環境與過載振動復合環境下的輸出變化，驗證過載振動復合環境效應。

3.2 試驗實施與過程

將液浮陀螺儀與專用工裝緊固在一起，然后再通過轉接工裝與振動臺動圈相連。專用測試系統固定于離心機臂的安裝支架上，與液浮陀螺儀組成測試回路，通過遠程控制專用測試系統，實時監控液浮陀螺儀的各項性能參數，采集液浮陀螺儀在不同加載環境條件下的輸出電壓，并記錄在工控機的存儲介質上。正式試驗開始前，對試驗加載系統、控制系統、專業測試系統進行調試。系統調試完畢后，采集液浮陀螺儀輸出電壓初值。

完成被試產品安裝與系統調試后，開始正式試驗。首先，在離心機靜止狀態，按圖6（a）中的驗收量級振動環境條件施加單一振動環境，并采集液浮陀螺儀輸出電壓。然后，啟動離心機，按照圖6（b）所示環境條件要求施加過載加速度，當過載加速度加載至2g且穩定后，遠程控制專用測試系統采集液浮陀螺儀輸出電壓，采集時長 60 s；采集完畢后啟動振動臺，按照圖6（a）所示液浮陀螺儀驗收振動環境條件施加隨機振動環境，振動加速度總均方根值為3.6 g，采集過載振動復合環境下的液浮陀螺儀輸出電壓，采集時長60 s。采集結束，暫停振動臺工作，提高離心機轉速，增加過載加速度量級。重復上述實施步驟，依次開展4 g、6 g、8 g、10 g單一過載與過載振動復合環境試驗，并采集液浮陀螺儀在各種環境條件下的輸出電壓。

圖6 環境試驗條件Fig.6 Environment test conditions

3.3 試驗結果與分析

液浮陀螺儀輸出專用測試系統的采樣頻率為2 Hz，60 s內采集到的樣本量為120個，剔除采樣區間首尾各5 s內采集到的20個數據后，將剩余的100個液浮陀螺儀輸出電壓值作為有效樣本進行統計分析。由于未引入陀螺儀的誤差模型進行修正，所測輸出電壓值僅能反映在某一環境條件下的陀螺儀輸出信號大小，所以該試驗結果只能反映復合環境的效應，不能驗證液浮陀螺儀的輸出精度。不同量級環境條件下的液浮陀螺儀的輸出電壓如圖7。

盡管本次試驗中獲得的液浮陀螺儀輸出電壓值只能反映某一環境條件下液浮陀螺儀輸出信號的大小，不能體現液浮陀螺儀的測量精度與漂移誤差，但是輸出信號隨不同環境條件的變化仍能反映出復合環境效應的復雜性。由圖7可以看出：與液浮陀螺儀的靜態輸出電壓相比，單純施加總均方根值為3.6 g的隨機振動環境，液浮陀螺儀的輸出電壓變化較小；而施加單一過載環境后，液浮陀螺儀的輸出電壓變化較大，且隨著過載加速度由2 g增至10 g，液浮陀螺儀的輸出電壓呈非線性的不規則變化。由圖7還可以看出，過載振動復合環境對液浮陀螺儀的輸出影響最大，而且在0～10g的變化范圍內，過載加速度的變化對過載振動復合環境效應的影響不大，但整體趨勢是隨過載加速度增大而效應增強。造成上述試驗現象的原因初步認為是由于過載加速度與振動環境的綜合作用，導致彈性支撐梁變形所致。

液浮陀螺儀過載振動復合環境試驗驗證了過載振動復合環境對慣性儀表的耦合作用機理，結果表明單一振動或過載加速度環境標定的輸出漂移修正模型不能準確表達復合環境作用下輸出漂移情況。為提高航天飛行器控制系統的控制精度，應當采用過載振動復合環境試驗標定的液浮陀螺儀輸出漂移修正模型。

圖7 液浮陀螺儀的輸出電壓Fig.7 Output voltage value of fluid floating gyro

4 結 論

針對航天飛行器高速機動與再入飛行階段的過載振動復合環境模擬與驗證技術，從復合環境效應機理與模擬方法等方面進行了探索與分析，并以液浮陀螺儀為對象，開展了過載振動復合環境效應試驗研究。在0～10 g的過載加速度變化范圍內，對比研究了單一過載加速度或振動環境、過載振動復合環境對液浮陀螺儀輸出值的影響。試驗結果表明，過載振動復合環境對慣性儀表輸出值的影響具有耦合效應。因此，對慣性儀表類產品進行環境適應性考核時，應當使用與真實飛行環境更為接近的過載振動復合環境試驗方法。

此外，本文僅研究了過載加速度的變化對過載振動復合環境效應的影響，有待進一步開展振動量級變化對過載振動復合環境效應的影響研究，以及慣性儀表類產品過載振動復合環境下精度標定試驗技術等研究工作，完善過載振動復合環境試驗方法與規范，滿足國防裝備發展對過載振動復合環境試驗的需求。

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Environment effect and adaptability test on spaceflight fluid floating gyro under overload + vibration

WU Jian-guo1, LI Hai-bo1, ZHANG Qi2, DING Yang2, FENG Guo-lin1
(1. Science and Technology on Reliability and Environment Engineering Laboratory, Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China; 2. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

A fluid floating gyro is studied to validate the environment effect and adaptability of spaceflight inertia components under overload-vibration composite environment. The coupling mechanism of the environment effect is analyzed based on the coupled multi-body dynamics theory, then the overload-vibration composite environment test for inertial instrument is designed and carried out by using specially designed data collection system. Test results indicate that the load-vibration effects on inertial instrument output voltage have nonlinear coupling effect. Therefore, in evaluating the environmental adaptability of inertial instrument products, such overload-vibration composite environment test method should be used as it is more consistent with real flight environment.

overload; vibration; composite environment; environment effect; test method

V416

：A

2015-09-11；

：2015-11-28

國防基礎科研計劃（A0320110018）

吳建國（1979—），男，博士，高級工程師，主要從事綜合環境試驗技術、結構疲勞試驗與壽命預示、可靠性試驗與評估技術研究。E-mail: wujianguo@buaa.edu.cn

1005-6734(2015)06-0840-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.06.025