航天發(fā)射場典型振動試驗(yàn)與裝備防護(hù)研究

潘 曉，李 東，張東云，徐 躍

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心， 四川 西昌 615000)

1 引言

當(dāng)設(shè)備設(shè)施受到一定程度的振動沖擊時(shí)，可能會引發(fā)共振、損傷等問題，甚至出現(xiàn)超過極限承受能力而工作異常的情況。航天發(fā)射任務(wù)涵蓋衛(wèi)星、火箭、地面測控等多個(gè)系統(tǒng)，包含很多電子類、機(jī)械類設(shè)備設(shè)施。如果這些設(shè)備設(shè)施受到振動沖擊破壞，會在一定程度上影響其產(chǎn)品質(zhì)量和工作效能，甚至直接影響航天發(fā)射任務(wù)的完成質(zhì)量[1-2]。因此，針對航天發(fā)射場開展典型振動影響分析，掌握特征和規(guī)律，研究必要的防護(hù)措施，對航天發(fā)射任務(wù)安全性有著重要意義。

振動測試是航天發(fā)射場一項(xiàng)重要的性能試驗(yàn)，貫穿于航天器運(yùn)輸、火箭轉(zhuǎn)運(yùn)、火箭發(fā)射等多個(gè)工作過程。本文選取了航天器公路運(yùn)輸、發(fā)射場測控裝備受火箭發(fā)射聲波影響2個(gè)典型振動場景作為研究對象，開展了一系列試驗(yàn)，研究振動特點(diǎn)、規(guī)律及其影響，從而給出航天裝備防護(hù)建議。

2 試驗(yàn)原理

2.1 航天器公路運(yùn)輸振動沖擊響應(yīng)原理

航天器抵達(dá)發(fā)射場就近機(jī)場后，通常采用公路運(yùn)輸方式運(yùn)至發(fā)射測試區(qū)。航天器內(nèi)部包含大量芯片、晶振、電池、電感等器件，對振動非常敏感[3-4]。公路運(yùn)輸過程中，航天器長期處于低頻振動，這種振動可能會對航天器內(nèi)部器件和結(jié)構(gòu)造成破壞性損傷[5]，因此公路運(yùn)輸是航天器壽命的重要影響因素之一。

公路運(yùn)輸引起的振動響應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析是對運(yùn)輸過程中各類振源振動特性的統(tǒng)計(jì)分析。所謂響應(yīng)就是航天器在振動與沖擊外力作用下其可動部分隨外力運(yùn)動的情況。一般說來，航天器的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可分解成若干個(gè)或等效為一個(gè)有阻尼單自由度線性系統(tǒng)模型[6]，其運(yùn)動微分方程為

(1)

式中：m為系統(tǒng)可動部分的等效慣性質(zhì)量；c為阻尼系數(shù)；k為系統(tǒng)剛度；f(t)為航天器所承受的外力；y為位移；t為時(shí)間。

結(jié)合式(1)分析可知，航天器在公路運(yùn)輸過程中受到的振動沖擊源很多，比如航天器自身慣性質(zhì)量與車輛牽引及緊急制動等外力的相互作用、運(yùn)輸車輛車輪往復(fù)運(yùn)動和發(fā)動機(jī)運(yùn)行引起的振動、運(yùn)輸車輛遇到路面凸包或凹坑時(shí)產(chǎn)生的沖擊等[7-8]。航天器所受到的振動沖擊是這些因素共同作用的結(jié)果。測量航天器在公路運(yùn)輸過程中振動沖擊響應(yīng)，就是測量各類振動沖擊積累效應(yīng)在各個(gè)方向的矢量和。

2.2 聲波振動沖擊響應(yīng)原理

聲波是一種機(jī)械波，根據(jù)振動頻率不同可分為次聲波、可聽波和超聲波。次聲波振動頻率低于20 Hz，可聽波頻率范圍為0.020～20 kHz，超聲波頻率高于20 kHz[9]。聲波的衰減特性服從指數(shù)變化規(guī)律：

A=b0e-?x

(2)

式中：A為距離聲源處的聲壓，b0為聲源處的初始振幅，?為衰減系數(shù)。根據(jù)聲波傳播規(guī)律，衰減系數(shù)與聲波的頻率平方成正比，即聲波頻率越高，傳輸過程中能量衰減的速度就越快[10]。從式(2)可以看出，只要聲源能量足夠大且距離足夠近，處于聲波作用距離之內(nèi)的設(shè)備都會承受來自聲源的聲壓，從而引發(fā)一定程度的振動。

火箭發(fā)射時(shí)，由于燃料的劇烈燃燒，強(qiáng)烈的氣流通過噴口與周圍空氣相互作用產(chǎn)生巨大的聲波。聲波向發(fā)射場各方向傳播，有的通過空氣傳播產(chǎn)生振動效應(yīng)直接作用于周邊設(shè)備，有的入射至地表，引起地表土壤粒子的振動，產(chǎn)生聲-地震耦合[11]，引起設(shè)備所在地振動，進(jìn)而對設(shè)備產(chǎn)生振動影響。

發(fā)射場周邊布設(shè)有雷達(dá)、遙測和光測等電子裝備。一般來說，電子裝備耐受振動頻率為10～55 Hz，振幅為0.5 mm，加速度為2g，沖擊為10g，超過這個(gè)極限時(shí)，可能會引起開關(guān)誤動作、機(jī)械結(jié)構(gòu)松動、電氣部件疲勞損壞以及接觸不良等[12-13]。因此，研究發(fā)射聲波對測控裝備的振動影響，對裝備布設(shè)選址和抗振性能改進(jìn)都有著積極意義。

3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用的設(shè)備是一套發(fā)射場自研的多通道振動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于LabVIEW虛擬儀器平臺開發(fā)，可完成多路振動信號的并行采集、分析和處理，可提取振動數(shù)據(jù)的各種特征量，從時(shí)域、頻域多角度對信號進(jìn)行觀察和分析。

系統(tǒng)由2個(gè)振動加速度計(jì)和1臺數(shù)采工控機(jī)組成。2個(gè)加速度計(jì)可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)軸向共6路振動信號的采集。數(shù)采工控機(jī)集成了1塊8通道PCI高精度同步數(shù)據(jù)采集卡(工作帶寬45 kHz)、1套振動測試分析專用軟件，能夠?qū)崟r(shí)采集振動數(shù)據(jù)，并利用FFT技術(shù)進(jìn)行振動頻譜、功率等特征分析。整套系統(tǒng)振動加速度測量范圍為±50g，沖擊極限2 000g，頻率響應(yīng)范圍為0～5 000 Hz，適合于開展運(yùn)輸振動、沖擊、聲波振動等振動監(jiān)測[13]。

4 航天器公路運(yùn)輸振動響應(yīng)試驗(yàn)及分析

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

考慮影響航天器公路運(yùn)輸振動響應(yīng)的因素很多，包括路面、車速、載重等[14]，為分析各種運(yùn)輸情況下的振動響應(yīng)，需針對不同影響因素開展多種跑車試驗(yàn)。跑車試驗(yàn)后，應(yīng)結(jié)合實(shí)車監(jiān)測結(jié)果再次比較分析，確保試驗(yàn)的完整性和結(jié)論的合理性。

為盡可能接近真實(shí)運(yùn)輸情況，跑車試驗(yàn)時(shí)，平板車運(yùn)載集裝箱(配重為5 t)模擬航天器運(yùn)輸。同時(shí)，為考察集裝箱不同位置的振動情況，將加速度計(jì)1安裝在集裝箱側(cè)面中部，加速度計(jì)2安裝在集裝箱前面中部，如圖1所示。圖1中X1、X2表示上下方向振動響應(yīng)，Y1、Z2表示左右方向振動響應(yīng)，Z1、Y2表示前后方向振動響應(yīng)。

圖1 集裝箱外加速度計(jì)安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the installation position of the accelerometers outside the container

4.2 不同路面下的跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析

此項(xiàng)試驗(yàn)考察不同路面對運(yùn)輸振動的影響。公路運(yùn)輸路面分水泥路面和柏油路面2種，2種路面的質(zhì)量等級不同，會引起不同的振動響應(yīng)。運(yùn)載車輛保持同樣車速(10 km/h)，分別在水泥路面和柏油路面上開展運(yùn)輸，加速度計(jì)1振動響應(yīng)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同路面的振動響應(yīng)曲線Fig.2 Vibration response of different pavements

分析可知，不同路面產(chǎn)生的振動響應(yīng)大小不同。水泥路面的振動響應(yīng)普遍大于柏油路面的振動響應(yīng)，這與水泥路面本身硬度大、胎噪大等因素有關(guān)。同一路面，不平整路段產(chǎn)生的振動響應(yīng)更大。

4.3 不同車速下的跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析

此項(xiàng)試驗(yàn)考察不同車速對運(yùn)輸振動的影響。保持運(yùn)載車輛在同一路面行駛，車輛分別處于不同的行駛速度(20 km/h和10 km/h)，加速度計(jì)1振動響應(yīng)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同車速的振動響應(yīng)曲線(柏油路面)Fig.3 Vibration response at different speeds (asphalt pavement)

分析可知，同一路面，車速越快，產(chǎn)生的振動響應(yīng)越大，表明振動量級與車速成正比關(guān)系[15]。多次跑車后發(fā)現(xiàn)，路面等級越低，存在凹凸不平，甚至出現(xiàn)溝坎、碎石等情況時(shí)[16]，車速超過30 km/h，振動響應(yīng)幅值會明顯增大，車速降至20 km/h以下，振動響應(yīng)會明顯減小。

4.4 同一加速度計(jì)跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析

此項(xiàng)試驗(yàn)考察不同方向的運(yùn)輸振動響應(yīng)情況。調(diào)取跑車試驗(yàn)中加速度計(jì)1三個(gè)軸向方向(X、Y、Z)上的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，對比得到各方向上振動響應(yīng)所呈現(xiàn)的特點(diǎn)，如圖4所示。

分析可知，同一加速度計(jì)3個(gè)軸向上監(jiān)測到的振動響應(yīng)不同。多組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)同一規(guī)律：上下振動普遍大于左右振動和前后振動，即垂直向的振動響應(yīng)普遍大于水平向。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，急剎車會造成較大的振動沖擊，雖表現(xiàn)為前后向，但實(shí)際振動響應(yīng)卻主要體現(xiàn)在上下向。

4.5 不同位置加速度計(jì)跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析

此項(xiàng)試驗(yàn)考察車體不同位置的運(yùn)輸振動響應(yīng)情況。如圖1所示，加速度計(jì)1安裝在集裝箱中部(車體靠后位置)，加速度計(jì)2安裝在集裝箱前部(車體靠前位置)，它們的振動監(jiān)測結(jié)果在一定程度上反映了運(yùn)輸車體不同位置所承受的振動大小。選取同一時(shí)間2個(gè)加速度計(jì)相同方向的振動響應(yīng)進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖4 同一加速度不同方向的振動響應(yīng)曲線Fig.4 Vibration response in different directions of the same acceleration

圖5 不同加速度同一方向振動響應(yīng)曲線Fig.5 Vibration response in the same direction at different accelerations

分析可知，同為上下方向，加速度計(jì)1的振動響應(yīng)大于加速度計(jì)2的振動響應(yīng)，左右、前后方向亦是如此，即加速度計(jì)1的振動響應(yīng)大于加速度計(jì)2的振動響應(yīng)，說明運(yùn)輸車體靠后的位置所承受的振動相對較大。

4.6 跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)特征分析

對歷次跑車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析。圖6為跑車試驗(yàn)中某一時(shí)間段振動響應(yīng)的時(shí)域監(jiān)測波形和頻域分析結(jié)果。

圖6 任選段落的時(shí)域監(jiān)測波形和頻域分析結(jié)果曲線Fig.6 Waveform diagram of time domain and frequency domain analysis of optional paragraphs

分析可知，正常情況下，航天器公路運(yùn)輸振動屬于平穩(wěn)隨機(jī)振動過程，振動幅度普遍低于2g，振動頻率主要集中在30 Hz以下的低頻段，振動能量集中在10 Hz以內(nèi)。

4.7 實(shí)車運(yùn)輸過程振動數(shù)據(jù)分析

根據(jù)航天器轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)安排，發(fā)射場先后開展了5次實(shí)車運(yùn)輸。1次運(yùn)載普通物資，4次分別運(yùn)載不同型號、不同質(zhì)量的航天器。5次運(yùn)輸路線相同，運(yùn)輸時(shí)間間隔為20 d左右，路面情況基本一致。5次實(shí)車運(yùn)輸過程的振動響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，分析可知：

1) 振動響應(yīng)幅值與運(yùn)輸車輛的行駛速度有關(guān)。A星和C星質(zhì)量相同，C星運(yùn)輸車速快于A星，導(dǎo)致C星各監(jiān)測方向的振動最大值明顯高于A星。A星和B星質(zhì)量相同，運(yùn)輸時(shí)間接近，監(jiān)測結(jié)果較為一致。

2) 振動響應(yīng)幅值與運(yùn)載對象的質(zhì)量有關(guān)。運(yùn)輸2噸普通物資時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量偏輕，遭遇溝坎后，振動幅值會成倍增大，最高出現(xiàn)了5.19g。對比B星和D星運(yùn)輸過程，車速接近，載重越大，振動響應(yīng)幅值越小。

3) 3個(gè)方向的振動響應(yīng)呈一定規(guī)律。公路運(yùn)輸時(shí)，上下方向振動最大，主要影響源于路面凸凹不平。前后方向次之，較大振動主要源于車輛的急速減速。左右方向最小，但當(dāng)路面不平整且車速較快時(shí)，振動響應(yīng)也會增大。

表1 5次實(shí)車運(yùn)輸振動監(jiān)測情況統(tǒng)計(jì)

4.8 航天器公路運(yùn)輸建議

結(jié)合上述跑車試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)分析結(jié)果，給出航天器公路運(yùn)輸建議如下：

1) 運(yùn)輸前應(yīng)注意航天器和車輛質(zhì)量的匹配。若航天器質(zhì)量偏小，應(yīng)額外增加配重或給航天器安裝懸置系統(tǒng)，對航天器進(jìn)行二次減振。同時(shí)，航天器安放位置應(yīng)適當(dāng)靠前以減小振動。

2) 應(yīng)提前熟悉公路運(yùn)輸路線的質(zhì)量路況，區(qū)分好壞路段并提前做好路面清理。針對較大溝坎，應(yīng)用細(xì)沙鋪墊或整修以減小振動。

3) 運(yùn)輸車速應(yīng)控制在30 km/h以下，遇損壞路面、坎、坑等應(yīng)平緩降低車速至10 km/h，避免急剎車，保證車輛平穩(wěn)通行。

5 火箭發(fā)射聲波振動響應(yīng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

5.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該試驗(yàn)主要測量運(yùn)載火箭發(fā)射產(chǎn)生的聲波對周圍設(shè)備的振動影響。某測控裝備距離發(fā)射塔架1.5 km。加速度計(jì)1固定在該測控設(shè)備正面(面向火箭)，X1為上下，Y1為左右，Z1為前后，考察聲波經(jīng)空氣傳播直接作用于測控設(shè)備而產(chǎn)生的振動。加速度計(jì)2固定在該測控裝備所在地的地面，X2為左右，Y2為前后，Z2為上下，考察聲波經(jīng)聲-地震耦合后引發(fā)的地面振動對測控裝備的影響。如圖7所示。

5.2 振動數(shù)據(jù)時(shí)域分析

火箭發(fā)射升空后，獲取到2個(gè)加速度計(jì)的時(shí)域監(jiān)測結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8為加速度計(jì)1的監(jiān)測結(jié)果。振動監(jiān)測于00∶51∶09.718開始，00∶52∶32.211火箭點(diǎn)火起飛，00∶52∶36.633(相對時(shí)間4 s)聲波振動開始作用于測控裝備上，00∶53∶29.460振動基本消失，整個(gè)聲波振動作用時(shí)間大約持續(xù)53 s，分別于 00∶52∶52.921(相對時(shí)間16 s)、00∶52∶59.524(相對時(shí)間23 s)出現(xiàn)較大振動幅值。其中前后方向產(chǎn)生的振動幅度最大，達(dá)到了0.463g，上下方向振動幅度次之，左右方向振動最小。

圖7 聲波振動試驗(yàn)加速度計(jì)安裝位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the installation position of the accelerometersfor the acoustic vibration test

圖8 加速度計(jì)1采集的振動時(shí)域波形Fig.8 Time domain waveform of vibration collected by accelerometer 1

圖9為加速度計(jì)2的監(jiān)測結(jié)果。從圖9可知，聲-地震耦合振動的響應(yīng)時(shí)間與聲波經(jīng)空氣傳播直接作用于測控裝備的響應(yīng)時(shí)間大致相同，振動幅度最大值同樣出現(xiàn)在前后方向，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣直接傳播產(chǎn)生的振動，僅為0.088g。不同于加速度計(jì)1監(jiān)測結(jié)果，左右方向振動幅度次之，上下方向最小。

通過時(shí)域比較可知，相對于聲波經(jīng)地面?zhèn)鲗?dǎo)所引發(fā)的振動，聲波經(jīng)空氣傳播所產(chǎn)生的振動幅度更大，對場區(qū)周邊的設(shè)備的影響更大，需在后續(xù)的監(jiān)測中重點(diǎn)關(guān)注和防范。

圖9 加速度計(jì)2采集的振動時(shí)域波形Fig.9 Time domain waveform of vibration collected by accelerometer 2

5.3 振動數(shù)據(jù)頻域分析

圖10為加速度計(jì)1振動響應(yīng)的頻域分析結(jié)果。從圖10中可知，聲波經(jīng)空氣傳輸所產(chǎn)生的振動在前后方向振動能量最大，峰值能量集中在70 Hz左右，上下方向能量次之，集中在100 Hz左右，左右方向能量最小，分布在50～150 Hz區(qū)間。

圖10 加速度計(jì)1振動響應(yīng)頻譜Fig.10 Vibration response spectrum analysis of accelerometer 1

圖11為加速度計(jì)2振動響應(yīng)的頻域分析結(jié)果。從圖11中可知，聲波經(jīng)聲-地耦合所產(chǎn)生的振動在前后方向振動能量最大，左右方向次之，振動能量均集中在370 Hz左右，上下方向能量非常小且比較分散，沒有明顯集中在某個(gè)頻段。

圖11 加速度計(jì)2振動響應(yīng)頻譜Fig.11 Vibration response spectrum analysis of accelerometer 2

通過頻域比較可知，聲-地耦合所產(chǎn)生的振動能量明顯小于聲波經(jīng)空氣傳輸所產(chǎn)生的振動能量，與時(shí)域分析結(jié)論一致。

綜上，火箭發(fā)射時(shí)，場區(qū)周邊設(shè)備受到聲波振動的影響。聲-地震耦合產(chǎn)生的振動總體能量很小，對設(shè)備的影響可忽略不計(jì)。經(jīng)空氣傳播的聲波振動能量較大，對設(shè)備影響大。設(shè)備前后方向(正面)所受到的聲波振動影響遠(yuǎn)大于其他方向，聲波振動能量集中在相對固定的頻段。

5.4 場區(qū)聲波振動防護(hù)建議

火箭發(fā)射時(shí)，聲波振動響應(yīng)的大小、頻率因火箭型號、裝備距離發(fā)射塔架遠(yuǎn)近、裝備固有頻率、防護(hù)水平不同而有較大差異。為全面掌握場區(qū)周邊各裝備在不同型號火箭發(fā)射時(shí)所承受的振動，需要多點(diǎn)、長時(shí)間監(jiān)測與分析。若發(fā)現(xiàn)裝備受到發(fā)射聲波振動影響出現(xiàn)可靠性降低等情況，可通過實(shí)時(shí)振動監(jiān)測分析，確定振動響應(yīng)大小和主要影響頻段，再采取必要的防護(hù)措施。

防聲波振動措施包括：一是為裝備增加防護(hù)罩，使用吸聲、隔音材料，提高吸聲系數(shù)和反射系數(shù)，降低透射系數(shù)和繞射系數(shù)；二是加固裝備結(jié)構(gòu)使其固有頻率遠(yuǎn)離聲振頻率，可采用緊固螺絲，加強(qiáng)電氣連接緊密性等方式。以上措施都可以在一定程度上減小聲波振動對發(fā)射場測試裝備的危害，提高裝備使用壽命，確保安全可靠。

6 結(jié)論

基于一系列振動試驗(yàn)及分析，研究了航天發(fā)射場2個(gè)典型振動響應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律。一方面，掌握了公路運(yùn)輸振動的特性，給出了航天器安全運(yùn)輸建議，為運(yùn)輸過程管控提供了技術(shù)依據(jù)；另一方面，對火箭發(fā)射聲波作用于周邊測控裝備的振動影響規(guī)律進(jìn)行了分析，給出了防護(hù)措施。兩項(xiàng)試驗(yàn)的研究結(jié)論對發(fā)射場裝備振動防護(hù)和安全管理工作具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)開展更加全面的振動特性迭代分析與防護(hù)設(shè)計(jì)，為航天器發(fā)射任務(wù)實(shí)施、射后恢復(fù)等工作提供有力技術(shù)支撐。