一种航天器火工冲击源建模和分析方法

为解决航天器火工冲击力学环境预示中无法确定载荷力函数的问题,提出一种基于流体编程软件（Hydrocodes）的“振源系统-近场结构”一体化建模和分析方法,分析由火工品触发的航天器星箭分离机构及其他解锁释放机构的冲击过程,从中提取力函数, 实现对振源与主结构的解耦分析。以包带式星箭分离结构为例,对该方法的可行性进行研究和论证。通过对模型进行爆炸冲击直接加载和力函数的解耦加载这两轮计算结果的对比分析,初步校验了该方法的可行性。通过对模型的耦合性分析和对其简化模型的分析,进一步校验了局部建模的合理性和解耦分析的准确性。该方法是一种能够确定航天器火工冲击源函数的可行方法,为从工程上解决航天器火工冲击的响应预示问题奠定了基础。     

复杂航天器结构火工冲击环境预示方法研究

针对复杂航天器结构在宽频、瞬态火工冲击载荷激励下其响应难以预示的问题,以某型复杂卫星结构为研究对象开展了火工冲击环境预示方法研究。首先,推导了基于加速度频响函数(FRF)的虚拟模态综合法(VMSS)的理论公式。对于复杂卫星结构各子系统动力学特性存在较大差异的特点,建立了有限元-统计能量分析（FE-SEA）混合模型,并进行响应计算,获得了加速度频响包络曲线及模态数曲线,为虚拟模态综合法的响应预示提供输入。然后,对复杂卫星结构推进舱底板和侧板的火工冲击响应进行了计算分析。最后,将计算结果与整星火工分离冲击试验结果对比发现两者基本保持一致。研究结果表明,联合FE-SEA混合建模技术和虚拟模态综合法能够对复杂卫星结构火工冲击环境进行较为精确地预示。     

基于代理模型的批产化卫星动力学试验舱内响应预示方法

文章提出基于代理模型的航天器结构动力学试验舱内响应预示方法,分别采用前馈神经网络（FNN）和Kriging代理模型,利用正弦扫频试验所获得的外部实际测点数据对内部测点响应进行预示;并通过组件级产品和系统级航天器实例,对比2种方法的预示结果,讨论分析代理预示方法的有效性及样本数量对预示精度的影响。研究结果对后续批产化航天器动力学试验测点剪裁具有一定指导意义。     

航天器火工冲击环境分析预示方法研究综述

航天器火工冲击力学环境问题是一个宽频、瞬态和强非线性的冲击动力学问题。火工冲击响应的预示涵盖结构动力学、冲击动力学、爆炸力学、高应变率材料力学行为等多学科理论。目前,工程上尚无统一、有效的预示方法。在航天工程中,航天器及其组件冲击环境条件设计以及系统级和单机缓冲设计,都迫切需要能够准确预示航天器的火工冲击响应。文章对国内外航天器火工冲击响应机理进行综合理论分析,并在系统调研分析预示方法的基础上提出了航天器火工冲击响应预示研究的重点和难点。     

航天器火工冲击环境数据外推技术研究

为了制定可靠的组件冲击试验条件,需要预示航天器火工冲击环境。在分析了航天器火工冲击环境预示的三类方法,包括试验法、数值分析法和数据外推法的基础上,详细总结和分析了数据外推法的国内外研究进展,并通过理论推导提出了新的数据外推公式;以大量火工冲击测量数据为参照,通过对比分析证明该数据外推公式比NASA和ESA的数据外推公式在中高频段上具有更好的预示精度和数据包络性,并且在理论上具有更宽的适用范围。所介绍的火工冲击环境数据外推技术可用于航天器组件冲击环境的快速估算,并为制定冲击试验条件提供参考。     

统计能量分析法在爆炸分离冲击响应预示中的应用

针对复杂结构的爆炸分离冲击问题,文章采用统计能量分析方法对其响应进行了计算分析。首先对切割索产生的连续载荷进行了离散处理,然后基于统计能量分析并结合虚拟模态综合法,对航天器分离过程中的冲击响应进行了预示。得到的结果符合爆炸分离冲击环境下结构响应特征及其传递规律,对航天器抗冲击设计与评估具有一定的参考价值。     

航天器组件声振组合环境试验与仿真技术

研究了某航天器太阳电池板的声振组合环境试验技术,并使用FE-SEA混合方法和耦合FE/BEM方法建立了太阳电池板的仿真模型,进行了声振组合激励下的响应仿真预示。仿真结果和试验结果的对比分析结果表明:声振组合试验对航天器组件的考核更充分;耦合FE/BEM方法更适合进行低频响应分析,而FE-SEA混合方法在中高频段更具优势,且两种方法的仿真预示响应和试验结果基本一致。     

基于传递特性的航天器在轨冲击环境预示方法研究

实际飞行实验中,经常需要较为精确地确定高频激励作用下航天器某结构部位的冲击响应,统计类预示方法速度快但误差较大;数值类预示方法较为精确,但计算规模大、耗时长,且很难考虑冲击源和结构传递等偏差的影响。文章参考振动传递函数的定义和性质,建立了基于结构传递特性、用已知结构点的冲击环境预示相关结构冲击环境及其分布的方法;利用某火工分离试验冲击测量结果,验证了该方法可快速、准确预示指定部位的冲击环境。     

航天器组件高量级冲击环境的一种评估方法

针对不同冲击响应谱下航天器组件的加速度和应变进行了测量和研究,分析了冲击响应谱频率对冲击力传递的影响,以及组件本身结构频率与冲击力传递的关系,按应变等效准则,提出了一个把组件冲击响应谱转化为冲击试验规范谱的方法。不同冲击响应谱的应变数据验证表明,该方法可以有效地把组件高量级的冲击响应谱转化为低量级的冲击试验规范条件,为航天器组件在高量级冲击下的影响评估和验证提供一条途径。     

航天器声振力学环境预示与验证

针对航天器声振力学环境预示的难题,开展大型复杂航天器声振力学环境的预示方法研究和试验验证。首先结合航天器声振力学环境的特点,研究采用混合有限元-统计能量分析（FE-SEA）方法建立航天器声振预示模型的关键技术,在此基础上建立整星级和系统级航天器（整流罩-卫星-仪器舱-适配器组合体）的混合预示模型,最后将预示结果与噪声试验数据进行对比,验证了预示方法和模型的有效性,并基于分析结果探讨影响航天器声振力学环境预示精度的关键环节。     

航天器热平衡温度预测的粒子群算法

为解决航天器热平衡试验温度外推预测方法中存在的问题,提出了热平衡温度预测的粒子群优化算法。根据热平衡温度模型,建立待优化的目标函数以及热平衡温度粒子群算法的计算流程。依据某型号卫星热平衡试验的前期温度数据,对热平衡极限温度以及瞬时温度进行预测,并与实测数据进行了比对。计算结果与实测数据相比具有较好的一致性,所提出的方法可有效地应用于航天器热平衡试验温度预测。     

航天器基础激励SEA建模方法

针对航天器力学环境试验中随机横向基础激励高频预示技术开展了建模方法的研究。首先建立典型结构的有限元模型并开展仿真计算,获取背地板面内振动数据、连接环弯曲振动数据及振动台横向振动数据;进而分别建立背地板受纵向振动约束载荷、连接环受弯曲振动约束载荷的SEA模型,并将有限元计算结果作为激励源数据,利用统计能量分析（SEA）方法开展仿真分析,得到了航天器横向基础激励SEA建模的一般方法和步骤。研究表明:横向基础激励下,可将环境试验中获取的振动台数据以弯曲波的形式施加到连接环上,进行航天器高频响应SEA预示。     

基于演变谱理论和正交化HHT法的冲击响应谱时域信号合成方法

冲击响应谱时域信号是一类典型的非平稳信号,正交化HHT（Hilbert-Huang transform）法是进行非平稳信号时频分析的好方法。文章首先对冲击响应谱试验机实测到的时域冲击信号进行了正交化HHT频谱特性分析,然后将演变谱理论和正交化HHT法相结合,对实测的时域冲击信号进行了人工合成。频谱分析表明:合成的时域冲击信号与实测信号具有较好的一致性,且在信号的非平稳模拟方面,明显优于传统的三角波合成方法。最后,以该方法合成的时域信号为数据基础,进行了冲击响应谱的统计拟合,得到了冲击响应谱数学模型,结果可作为相关试验的输入条件。     

太阳翼电爆释放冲击载荷的仿真分析和试验验证

国内航天器太阳翼的压紧释放装置绝大多数使用火工切割器作为释放的动力源,当火工切割器起爆时,会产生很大的高频冲击载荷,对压紧点附近的设备造成很大的影响。为此,文章以国内典型航天器太阳翼压紧杆式压紧释放装置为研究对象,对其冲击载荷进行分析,提出了一种仿真基础模型,通过评估火工切割器的起爆能量,避开较难分析的冲击源起爆过程,得到各个测点的冲击载荷。冲击载荷的仿真结果与试验结果进行比较,验证了仿真基础模型的有效性,并提出重点考虑火工切割器安装螺钉的建模,从而对基础模型加以修正。     

基于模态法L形工装结构冲击动力学仿真分析

L形工装常用来转接被试结构以实现不同方向的冲击试验。首先通过模态试验获取L形工装固定于振动台状态下的模态频率、模态振型及模态阻尼比,然后建立、修正L形工装有限元动力学模型。在此基础上,采用模态法对L形工装进行冲击响应谱试验的仿真模拟,并根据仿真结果与试验数据的差异对模态阻尼比作进一步的调整。从调整后模型冲击环境下的加速度响应计算值与试验值的对比结果来看:修正后的L形工装动力学模型可以正确预示冲击响应谱试验的响应。最后,通过对在不同位置安装有被试结构的L形工装进行冲击仿真分析,得到结论如下:为避免过试验或欠试验,保证被试结构所承受的冲击响应谱与试验条件一致,建议把控制点移到被试结构安装处。     

包带低冲击装置冲击试验及数据分析

文章主要阐述了包带低冲击装置冲击试验的过程及采用的试验技术,并对试验数据进行了处理和分析。通过大量的试验数据,对响应量级与测量点的位置分布、响应与包带预紧力的关系、冲击响应与装药量的关系、冲击响应与起爆器的关系、冲击响应的频率分布关系以及安装方式对试验结果产生的影响作了充分的分析。结果可为研究低冲击装置提供有价值的参考。     

静止轨道高精度遥感卫星在轨冲击监测与定位

针对空间环境下航天器偶发的冲击影响敏感载荷性能的问题，提出了利用振动测量系统实时连续监测载荷安装位置附近的动力学环境的方法，通过分析各测点的冲击时域响应大小及冲击发生先后顺序，初步确定冲击发生的位置。结果表明:冲击的发生以天为周期，一天之中冲击发生的频次和强度与航天器所处轨道位置强相关，且存在2个明显的冲击高发时段。冲击很可能发生于载荷底板附近，可在地面试验中进行精确定位和完善设计。上述研究实现了在轨冲击现象的定量分析及冲击源的定位，将提升现有在轨动力学分析的能力，指导后续航天器设计，降低冲击现象对敏感载荷性能的影响。     

某航天器姿态控制机组随机振动响应分析

根据结构件宽带随机振动原理,用NASTRAN有限元分析软件对某航天器姿态控制机组的随机振动应力进行了动力学分析。用大质量法模拟基础加速度激励,用模态法计算频率响应。分析表明,计算值与试验结果基本一致。该分析法可在设计阶段用于预示产品的随机振动响应。     

考虑声场空间相关的结构声振响应预示方法

文章研究利用有限元法进行声振响应预示时完整考虑空间相关的声场载荷施加方法,并基于MSC.Nastran软件进行算法研究及二次开发,编制形成软件并预示航天飞行器噪声试验声振响应;预示数据与试验数据的对比结果验证了该方法的有效性。该方法解决了传统中高频响应预示方法不能给出局部结构振动响应的问题,为航天飞行器力学环境预示提供了一种新途径。     

航天器姿控发动机真空羽流场计算及其扰动分析

航天器姿态控制发动机工作期间,产生的羽流扰动力矩会影响控制精度,对流和辐射产生的热效应会影响热控系统工作,羽流沉积物会影响光学敏感器的精度。文章以某航天器的20 N姿控发动机为例,首先采用工程的MOC方法计算其真空羽流场;然后利用建立的航天器羽流三维冲击模型分析了羽流对太阳电池阵的冲击载荷;最后对发动机羽流脉冲激励下太阳电池阵的响应和姿态控制系统受到的扰动力矩进行了仿真分析。结果表明姿控发动机羽流脉冲激励将对控制精度和稳定度产生不可忽视的影响。