雙臺(tái)并激試驗(yàn)技術(shù)在航天器管路強(qiáng)度考核中的應(yīng)用

李杰，毛凱，崔修斌，馮生泉

（天津航天瑞萊科技有限公司，上海 201100）

引言

航天用推進(jìn)劑輸送管一般由直管、彎管、波紋管（分為網(wǎng)套波紋管和不帶網(wǎng)套波紋管），法蘭、活套環(huán)及傳感器機(jī)械接口等組成，用于將推進(jìn)劑從火箭貯箱輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)波紋管達(dá)到位移補(bǔ)償?shù)淖饔茫沁\(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)中重要的單機(jī)產(chǎn)品[1]。輸送管路在熱試車或飛行試驗(yàn)前，需要進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)考核，暴露薄弱點(diǎn)，提高可靠性[2]。針對(duì)管路的密封結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)、固定支架及薄弱部位等，按總體規(guī)定的載荷條件進(jìn)行強(qiáng)度考核，驗(yàn)證其工作可靠性，為參加試車或飛行試驗(yàn)提供依據(jù)。當(dāng)輸送管路包含兩個(gè)支管，且兩個(gè)支管分別連接航天器的兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)可將工況考慮為管路的兩個(gè)支管端部分別經(jīng)受振動(dòng)激勵(lì)，為保證正弦振動(dòng)試驗(yàn)按照更全面的條件開(kāi)展考核，需要對(duì)支管進(jìn)行雙臺(tái)并激振動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)支管端部的同相位振動(dòng)和反相位振動(dòng)。同時(shí)，采用雙臺(tái)并激方法后，可較大程度上解決振動(dòng)臺(tái)在進(jìn)行管路大量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)推力不足的問(wèn)題。

1 雙臺(tái)并激試驗(yàn)控制原理

1.1 隨機(jī)振動(dòng)控制原理

用x1(t)和x2(t)表示振動(dòng)控制器生成的2路隨機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；y1(t)和y2(t)表示控制點(diǎn)的2路響應(yīng)信號(hào)。假設(shè)雙臺(tái)并激試驗(yàn)系統(tǒng)為線性時(shí)不變系統(tǒng)。對(duì)于x1(t)，x2(t)和y1(t)，y2(t)做傅里葉變換后，系統(tǒng)響應(yīng)與激勵(lì)之間有如下關(guān)系：

式中：

X(f)—2階驅(qū)動(dòng)頻譜向量；

Y(f)—2階響應(yīng)頻譜向量；

H(f)—2×2階系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣；

L(f)—對(duì)響應(yīng)的自功率譜密度矩陣GY(f)和參考的自功率譜密度矩陣Gr(f)進(jìn)行Cholesky分解產(chǎn)生的2×2階下三角矩陣；

W(f)—具有單位振幅和隨機(jī)相位的白噪聲頻譜矩陣。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制的目標(biāo)就是使響應(yīng)譜矩陣Gr(f)經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)修正，與參考譜矩陣Gr(f)匹配。雙臺(tái)并激的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制流程如圖1所示。

圖1 隨機(jī)振動(dòng)控制原理框圖

1.2 正弦振動(dòng)控制原理

正弦振動(dòng)的控制原理與隨機(jī)振動(dòng)類似，其驅(qū)動(dòng)頻譜計(jì)算公式為：

在正弦振動(dòng)控制過(guò)程中，振動(dòng)控制儀根據(jù)Y(f)和H(f)矩陣的實(shí)測(cè)值來(lái)實(shí)時(shí)修正X(f)，使矩陣Y(f)與參考譜矩陣Yr(f)匹配。

2 雙臺(tái)并激試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 被試管路和試驗(yàn)條件

被試管路為某型號(hào)氧輸送管路，為分叉結(jié)構(gòu)。管路沿箭體航向（XC向）的長(zhǎng)度約為2 900 mm，其兩個(gè)支管的中心距離約為1 500 mm，試驗(yàn)中液氧采用液氮代替，工作壓力為0.9 MPa，總質(zhì)量約為280 kg（包含液氮）。振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，管路上部止推支架采用龍門架固定，下部支管連接振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)。

被試管路的振動(dòng)試驗(yàn)包括正弦振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，具體條件見(jiàn)表1和表2。

表1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

表2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)的總體方案圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)系統(tǒng)包括振動(dòng)加載系統(tǒng)，推力位移加載系統(tǒng)，液氮加注/加壓系統(tǒng)和響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)。

圖2 管路試驗(yàn)系統(tǒng)的總體方案

這里只針對(duì)被試管路的箭體徑向（YC向）的振動(dòng)加載方案進(jìn)行說(shuō)明。

本文對(duì)被試管路進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析并進(jìn)而預(yù)估振動(dòng)臺(tái)所需推力。經(jīng)計(jì)算，保守推力可按照管路質(zhì)量的60 %作為有效質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)考慮振動(dòng)臺(tái)的可動(dòng)部分質(zhì)量和振動(dòng)工裝質(zhì)量，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（均方根值為25.19 g）時(shí)，采用單臺(tái)激勵(lì)方式，則振動(dòng)臺(tái)所需的推力至少為140 kN；采用雙臺(tái)并激方式，則單臺(tái)振動(dòng)臺(tái)所需的推力至少為108 kN。綜合考慮試驗(yàn)要求，采用2臺(tái)正弦推力為180 kN的振動(dòng)臺(tái)開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)。具體評(píng)估步驟不再贅述。

液氮加注工裝為試驗(yàn)的主要工裝，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。工裝采用不銹鋼316 L，焊接成型，分別對(duì)接被試管路的兩個(gè)支管，并采用石墨環(huán)進(jìn)行密封連接。液氮加注工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：①設(shè)置兩個(gè)DN25的液氮接口，分別用于液氮的加注和排液；②為了方便調(diào)節(jié)支管在加注液氮及加壓時(shí)與振動(dòng)工裝的水平相對(duì)位置，在液氮加注工裝上設(shè)置4處吊環(huán)安裝位置，并通過(guò)彈性繩和吊葫蘆連接承力框架上；③管路在增壓過(guò)程中，管路會(huì)因內(nèi)壓增大而伸長(zhǎng)，由于管路兩端被限制，形成壓桿穩(wěn)定問(wèn)題[3]，因此液氮加注工裝上設(shè)置導(dǎo)向銷孔，防止被試管路失穩(wěn)；④兩端設(shè)置螺紋頂桿結(jié)構(gòu)，用以提供XC向推力位移加載。需要注意的是，為防止被試管路的低溫傳導(dǎo)到振動(dòng)臺(tái)，需要在液氮加注工裝和振動(dòng)臺(tái)之間安裝隔熱裝置，阻隔低溫的傳導(dǎo)[4]，同時(shí)滿足剛度、阻尼等要求確保振動(dòng)的傳遞[5,6]。

圖3 液氮加注工裝結(jié)構(gòu)

YC向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，被試管路的兩根支管分別通過(guò)液氮加注工裝和隔熱板安裝到振動(dòng)工裝上，振動(dòng)工裝通過(guò)動(dòng)圈轉(zhuǎn)接板與振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)圈連接。被試管路的主管止推支架通過(guò)轉(zhuǎn)接工裝與承力框架連接。主管端部通過(guò)法蘭管路結(jié)構(gòu)連接至液氮貯箱。YC向振動(dòng)加載系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 XC向振動(dòng)加載系統(tǒng)

振動(dòng)試驗(yàn)的控制策略見(jiàn)表3。在進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，采用同相位控制方法考核被試管路止推支架位置的強(qiáng)度，采用反相位控制方法考核被試管路的支管分叉位置的強(qiáng)度。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)控制策略

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照以上試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，振動(dòng)控制采用某型號(hào)MIMO振動(dòng)控制儀，加速度測(cè)量采用了某型號(hào)耐低溫三向加速度傳感器，在被試管路加注液氮和加壓后，開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)。這里給出YC向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中正弦振動(dòng)試驗(yàn)的控制和響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5和圖6，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的控制曲線見(jiàn)圖7。

圖5 YC向正弦振動(dòng)試驗(yàn)曲線（同相位）

圖6 YC向正弦振動(dòng)試驗(yàn)曲線（反相位）

圖7 YC向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線

從控制效果上看，正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)分別滿足±10 %和±3 dB的容差，控制精度較好。從響應(yīng)測(cè)量上看，同相位正弦振動(dòng)控制和反相位振動(dòng)控制時(shí)，相同位置的加速度測(cè)點(diǎn)存在較大的區(qū)別。尤其是被試管路主管上的測(cè)點(diǎn)，在反相位控制時(shí)，由于支管的反相位振動(dòng)，傳遞到主管上的振動(dòng)響應(yīng)明顯小于同相位控制時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)。同時(shí)，同相位控制時(shí)，管路在15 Hz處的模態(tài)能較明顯地被激發(fā)出來(lái)。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙臺(tái)并激技術(shù)在某型號(hào)輸送管路振動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用，解決了振動(dòng)臺(tái)的推力問(wèn)題，完成了該管路的試驗(yàn)考核任務(wù)，滿足試驗(yàn)要求。同時(shí)，振動(dòng)試驗(yàn)的同相位控制和反相位控制，能更全面地考核類似結(jié)構(gòu)管路的強(qiáng)度，能夠?yàn)楣苈返膭?dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。