張 華，宗益燕

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

運(yùn)輸是衛(wèi)星壽命剖面中的一個(gè)重要組成部分。運(yùn)輸誘發(fā)的振動(dòng)環(huán)境對(duì)衛(wèi)星尤其是大型結(jié)構(gòu)部件有潛在影響，因此對(duì)運(yùn)輸過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析具有重要意義。

太陽(yáng)電池陣作為衛(wèi)星上的結(jié)構(gòu)大部件，受包裝箱尺寸、星體布局、工裝支撐方式等的限制，有單獨(dú)運(yùn)輸（如“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星）和安裝在星上隨整星運(yùn)輸（如“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星）2 種方案。常用的運(yùn)輸方式有公路、鐵路和空中運(yùn)輸3 種，后續(xù)還可能會(huì)涉及海上運(yùn)輸。同一衛(wèi)星型號(hào)可能采用其中的一種或幾種運(yùn)輸方式。運(yùn)輸時(shí)，產(chǎn)品安裝在專(zhuān)用的包裝箱內(nèi)，公路運(yùn)輸時(shí)包裝箱放置在卡車(chē)車(chē)廂內(nèi)或 平板車(chē)上；鐵路運(yùn)輸時(shí)，放置在儀器車(chē)廂內(nèi)或火車(chē)平板上、專(zhuān)用? 車(chē)廂內(nèi)；空運(yùn)采用運(yùn)輸機(jī)。衛(wèi)星及其產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到隨機(jī)激勵(lì)、周期性激勵(lì)和偶然事件的影響[1]。為節(jié)省人力、物力和時(shí)間，國(guó)內(nèi)外許多單位都在研制運(yùn)輸模擬器開(kāi)展物理仿真研究，但還處于研制、試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足衛(wèi)星型號(hào)的使用要求[1-2]；或者采用仿真分析的方法對(duì)運(yùn)輸振動(dòng)響應(yīng)和減振進(jìn)行建模，但建模的準(zhǔn)確度還有待提高[3-7]。

本文分析了太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸和裝星運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果，并與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，給出了可靠性分析的結(jié)果，可為太陽(yáng)電池陣運(yùn)輸方案的選擇提供參考。

1 運(yùn)輸振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)量

太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸時(shí)，將其收攏壓緊在模擬墻上，模擬墻通過(guò)鋼絲繩減振器或無(wú)諧振峰減振器連接固定在包裝箱內(nèi)的安裝支座上；外部用鋼絲繩對(duì)包裝箱進(jìn)一步緊固?？赏ㄟ^(guò)在模擬墻上布置的振動(dòng)傳感器測(cè)量和記錄運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)情況，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸傳感器布置示意圖 Fig.1 Sensor arrangement of solar array transported alone

太陽(yáng)電池陣裝星運(yùn)輸時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和火工品壓緊桿固定于衛(wèi)星側(cè)板。衛(wèi)星采用工藝環(huán)與箱底安裝板連接，并在箱底安裝板與包裝箱之間用無(wú)諧振峰減振器或鋼絲繩減振器連接。同時(shí)又在包裝箱底部墊橡膠減振塊，用鋼絲繩拉緊固定于平板車(chē)上。振動(dòng)響應(yīng)通過(guò)在上述位置所布置的振動(dòng)傳感器進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)電池陣裝星運(yùn)輸傳感器布置示意圖 Fig.2 Sensor arrangement of solar array transport with satellite

太陽(yáng)電池陣運(yùn)輸過(guò)程中振動(dòng)響應(yīng)的方向定義如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)電池陣運(yùn)輸各方向的定義 Fig.3 Directions in solar array transportation

2 運(yùn)輸振動(dòng)響應(yīng)分析

隨運(yùn)輸方式、安裝、加固和減振方式等的不同，太陽(yáng)電池陣的振動(dòng)響應(yīng)情況也各不相同。

2.1 運(yùn)輸方式及其激勵(lì)環(huán)境的比較

2.1.1 鐵路運(yùn)輸與公路運(yùn)輸

圖4給出了“遙感十九號(hào)”衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣運(yùn)輸全過(guò)程中豎直方向的振動(dòng)響應(yīng)情況，可知：

1）該太陽(yáng)電池陣經(jīng)歷了“公路+鐵路+公路”的運(yùn)輸激勵(lì)環(huán)境；

2）公路運(yùn)輸?shù)乃矔r(shí)沖擊平均約為1g，從火車(chē)站至發(fā)射場(chǎng)的公路運(yùn)輸過(guò)程中最大瞬時(shí)沖擊達(dá)到2g；鐵路運(yùn)輸瞬時(shí)沖擊約為0.2g，且運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)環(huán)境較公路運(yùn)輸更為平穩(wěn)。

圖4 “遙感十九號(hào)”衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣傳感器豎直方向振動(dòng)響應(yīng) Fig.4 The vertical random responses of YG-19 satellite solar array

2.1.2 空中運(yùn)輸與公路運(yùn)輸

“實(shí)踐十六號(hào)”采取空中和公路相結(jié)合的運(yùn)輸方式。在運(yùn)輸全過(guò)程中振動(dòng)傳感器測(cè)得的各方向振動(dòng)響應(yīng)平均值和最大值見(jiàn)表1。圖5給出了豎直方向振動(dòng)響應(yīng)情況。從表1和圖5中數(shù)據(jù)可知：

1）在行車(chē)方向和晃動(dòng)方向，空中運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)的平均值和最大值與公路運(yùn)輸基本相當(dāng)，且都不大于1g；而豎直方向，空中運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)的平均值（0.07g）和最大值（0.4g）都遠(yuǎn)小于公路運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)情況。

2）在力學(xué)穩(wěn)定性方面，空中運(yùn)輸在豎直方向的振動(dòng)響應(yīng)較為穩(wěn)定，主要分布在0～0.1g的范圍內(nèi)，僅在遇有氣流而導(dǎo)致飛機(jī)顛簸的情況下瞬時(shí)沖擊值為0.2g、0.3g和0.4g（僅一次）；而公路運(yùn)輸?shù)呢Q直方向振動(dòng)響應(yīng)分布較為離散，記錄的響應(yīng)值因受路面影響而波動(dòng)較大。

3）綜合考慮路況、車(chē)速等因素的影響發(fā)現(xiàn)，廠房至機(jī)場(chǎng)的振動(dòng)響應(yīng)要明顯優(yōu)于機(jī)場(chǎng)至發(fā)射場(chǎng)路段，尤其在豎直方向的響應(yīng)差別更為明顯，分析認(rèn)為廠房至機(jī)場(chǎng)公路段的路面平整度較好，且受車(chē) 流和紅綠燈的影響而車(chē)速較慢；而機(jī)場(chǎng)至發(fā)射場(chǎng)的路面狀況稍差，且因路面車(chē)輛少所以車(chē)速快。

表1 “實(shí)踐十六號(hào)”衛(wèi)星運(yùn)輸響應(yīng) Table1 The vibration responses in SJ-16 satellite transportation

圖5 “實(shí)踐十六號(hào)”運(yùn)輸過(guò)程豎直方向振動(dòng)響應(yīng) Fig.5 The vertical vibration responses in SJ-16 satellite transportation

2.2 運(yùn)輸過(guò)程振動(dòng)響應(yīng)分析

2.2.1 振動(dòng)響應(yīng)頻率分析

將振動(dòng)傳感器各點(diǎn)測(cè)得的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜變換，可得到其在頻域上的分布情況。圖6給出了“實(shí)踐十六號(hào)”衛(wèi)星在運(yùn)輸過(guò)程中各方向的頻域響應(yīng)。由圖6可知：

1）衛(wèi)星各測(cè)點(diǎn)共振頻率集中在20 Hz 以?xún)?nèi)，水平方向的振動(dòng)頻率主要為4.10、16.60 Hz，豎直方向的共振頻率主要為2.73、3.64 和16.54 Hz，運(yùn)輸過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)主要為低頻振動(dòng)；

2）衛(wèi)星安裝界面豎直方向在16.6 Hz 附近共振，其最大幅值為0.055g，經(jīng)分析是由于衛(wèi)星和連接工裝的一階彎曲固有頻率所致。

圖6 “實(shí)踐十六號(hào)”衛(wèi)星運(yùn)輸各方向頻域響應(yīng) Fig.6 The responses in frequency domain in SJ-16 satellite transportation

2.2.2 振動(dòng)響應(yīng)的量級(jí)分析

圖7為“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣鐵路運(yùn)輸過(guò)程中行車(chē)方向和豎直方向的振動(dòng)響應(yīng)。由圖7可知：

1）行車(chē)方向的最大沖擊響應(yīng)為0.8g，豎直方向的最大沖擊響應(yīng)為3.8g，且由前文分析可知均為20 Hz 以?xún)?nèi)的低頻沖擊，均小于出廠前地面整星力學(xué)試驗(yàn)時(shí)太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)處約5g（橫向約15 Hz、縱向約60 Hz）的振動(dòng)響應(yīng)；

2）在行車(chē)方向的平均沖擊響應(yīng)值約為0.3g，豎直方向的平均沖擊響應(yīng)約為0.65g，即與縱向響應(yīng)相比，由于軌道路面的不平以及行駛過(guò)程中的啟動(dòng)、剎車(chē)等造成的橫向動(dòng)力學(xué)響應(yīng)量級(jí)要小。

圖7 “風(fēng)云三號(hào)”太陽(yáng)電池陣行車(chē)方向和堅(jiān)直方向的 振動(dòng)響應(yīng) Fig.7 The vibration responses in driving direction and vertical direction separately in the FY-3 satellite solar array transportation

2.3 隔振方式比較

衛(wèi)星整星運(yùn)輸時(shí)，包裝箱底部常用橡膠減振塊，而衛(wèi)星的箱底安裝板與包裝箱之間則采用無(wú)諧振峰減振器或鋼絲繩減振器。運(yùn)輸過(guò)程中，振動(dòng)響應(yīng)從平板車(chē)到工藝環(huán)與包裝箱連接界面經(jīng)歷橡膠減振塊、無(wú)諧振峰式減振器或鋼絲繩減振器的作用，傳遞路徑是：平板車(chē)底板→包裝箱減振器下方→包裝箱減振器上方→太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)。

圖8和圖9分別為“遙感十九號(hào)”和“遙感十八號(hào)”衛(wèi)星在各方向的隔振情況。由圖中數(shù)據(jù)可看出不同隔振方式的隔振效果不盡相同：

1）經(jīng)過(guò)橡膠減振塊隔振后，水平和豎直方向的隔振效果明顯；而鋼絲繩減振后兩方向的振動(dòng)響應(yīng)均有小幅放大；

2）經(jīng)過(guò)無(wú)諧振峰減振器后，水平方向的振動(dòng)量級(jí)有一定程度的減小，而豎直方向的隔振效果明顯。

橡膠減振塊具有良好的彈性和足夠的強(qiáng)度，可以使隔振系統(tǒng)有很低的固有頻率和較高的阻尼，但其抗環(huán)境污染與抗溫度變化能力較弱，壽命較短。使用鋼絲繩減振器和無(wú)諧振峰減振器能將隔振基礎(chǔ)的固有頻率設(shè)計(jì)得很低，從而對(duì)于高頻的隔振效果很好，但由于其阻尼較小，所以會(huì)造成隔振基礎(chǔ)以固有頻率擺動(dòng)，從而使得水平方向的響應(yīng)有所放大。一般在應(yīng)用時(shí)，建議將鋼絲繩減振器或無(wú)諧振峰減振器與橡膠減振塊聯(lián)合使用，這樣對(duì)于高頻振動(dòng)提供了較大的阻尼和消耗，對(duì)于低頻振動(dòng)也不會(huì)產(chǎn)生較大的放大。

圖8 “遙感十九號(hào)”衛(wèi)星各方向減振效果比對(duì) Fig.8 The damping in each direction of YG-19 satellite

圖9 “遙感十八號(hào)”衛(wèi)星各方向減振效果比對(duì) Fig.9 The damping in each direction of YG-18 satellite

3 運(yùn)輸可靠性分析

運(yùn)輸過(guò)程的可靠性分析主要是研究太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸和裝星運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)量級(jí)，比較其與地面試驗(yàn)時(shí)類(lèi)似位置的響應(yīng)量級(jí)，并對(duì)運(yùn)輸全過(guò)程的疲勞損傷進(jìn)行評(píng)估。

3.1 單獨(dú)運(yùn)輸與裝星運(yùn)輸響應(yīng)的比較

表2給出了“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸和“遙感十八號(hào)”整星運(yùn)輸時(shí)太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)處的振動(dòng)響應(yīng)。由于二者均采用了“公路+鐵路+公路”的運(yùn)輸方式，運(yùn)輸?shù)牡缆芬蚕嗤?，所以?shù)據(jù)具有可比性。從表2可知：

1）在水平方向上，行車(chē)方向的太陽(yáng)電池陣裝星運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)平均值和最大值稍小于單獨(dú)運(yùn)輸?shù)捻憫?yīng)，但相差不大；晃動(dòng)方向的響應(yīng)平均值和最大值量級(jí)大小基本一致。

2）在豎直方向上，裝星運(yùn)輸?shù)捻憫?yīng)平均值和最大值分別為0.27g和0.63g，優(yōu)于單獨(dú)運(yùn)輸時(shí)的響應(yīng)平均值（0.65g）和最大值（3.8g）。

3）由于運(yùn)輸過(guò)程的車(chē)速和車(chē)輛狀況不完全相同，安裝和隔振設(shè)置也不同，而且地面運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)一般均為20 Hz 以?xún)?nèi)的低頻振動(dòng)，所以可認(rèn)為太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸和裝星運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)量級(jí)基本相當(dāng)，無(wú)明顯差異。

表2 太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸和整星運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)比對(duì) Table2 Vibration response comparison between solar array transportation alone and with whole satellite

3.2 運(yùn)輸與地面試驗(yàn)的比較

圖10～圖12給出了“遙感十八號(hào)”衛(wèi)星測(cè)得的x、y、z三個(gè)方向的頻率特性曲線，其中，整星運(yùn)輸時(shí)的測(cè)點(diǎn)5 和7 的位置為太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)處。由圖可知：

1）整星運(yùn)輸時(shí)太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)處三個(gè)方向的振動(dòng)峰值響應(yīng)分別為0.009g、0.019g和0.007g，而地面試驗(yàn)時(shí)相同位置處的峰值響應(yīng)分別為1.92g、2.10g和3.19g，即由于輸入激勵(lì)較小和隔振裝置的隔振效果，運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)小于地面試驗(yàn)時(shí)的響應(yīng)。

2）整星運(yùn)輸時(shí)由于衛(wèi)星和包裝箱的隔振裝置阻尼的影響，整個(gè)系統(tǒng)的一階頻率較低，三個(gè)方向的系統(tǒng)一階頻率分別為2.93、3.13 和3.52 Hz，低于整星地面試驗(yàn)時(shí)的一階響應(yīng)頻率（15.10、15.96 和41.69 Hz），也低于地面試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)臺(tái)的起振頻率（5 Hz）。

圖10 “遙感十八號(hào)”太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)x 向振動(dòng)響應(yīng) Fig.10 The x random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test

圖11 “遙感十八號(hào)”太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)y 向振動(dòng)響應(yīng) Fig.11 The y random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test

圖12 “遙感十八號(hào)”太陽(yáng)電池陣壓緊點(diǎn)z 向振動(dòng)響應(yīng) Fig.12 The z random vibration responses at solar array pinch point of YG-18 satellite in transportation and in ground test

3.3 可靠性分析

假定衛(wèi)星在運(yùn)輸過(guò)程中受到平穩(wěn)的隨機(jī)振動(dòng)， 則根據(jù)文獻(xiàn)[1]的經(jīng)驗(yàn)公式（a為正 弦激勵(lì)的加速度峰值；fn為固有頻率；W為加速度功率譜密度）并結(jié)合表1和圖5“實(shí)踐十六號(hào)”衛(wèi)星運(yùn)輸過(guò)程的測(cè)量數(shù)據(jù)可知：在平穩(wěn)路況下，無(wú)瞬時(shí)沖擊時(shí)運(yùn)輸過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)約為0.1g，遠(yuǎn)小 于整星地面正弦振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品上約5g的響應(yīng)。

當(dāng)損傷機(jī)理為疲勞破壞時(shí)，可采用加速試驗(yàn)縮短試驗(yàn)時(shí)間，加速因子為應(yīng)力水平，如圖13所 示[1]。由圖可知：在相當(dāng)?shù)钠趽p傷下，當(dāng)振動(dòng)量級(jí)為原值的1/3 時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間需延長(zhǎng)1000 倍；當(dāng)振動(dòng)量級(jí)遞減到原值的1/100 時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間需延長(zhǎng)到109倍。而整星地面振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間一般約1～ 2 min，運(yùn)輸時(shí)間不超過(guò)100 h，即運(yùn)輸時(shí)間約為振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間的104倍，遠(yuǎn)小于產(chǎn)生相當(dāng)疲勞損傷所需的109倍的時(shí)間。因此，可認(rèn)為太陽(yáng)電池陣運(yùn)輸過(guò)程中累積的振動(dòng)疲勞損傷遠(yuǎn)小于整星地面試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的影響，即運(yùn)輸不會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生疲勞損傷。

圖13 疲勞損傷加速試驗(yàn)曲線 Fig.13 The curve of fatigue damage acceleration test

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)輸是太陽(yáng)電池陣發(fā)射前必須經(jīng)歷的環(huán)境，通過(guò)對(duì)其運(yùn)輸過(guò)程中的實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的分析，可從力學(xué)環(huán)境角度為太陽(yáng)電池陣運(yùn)輸方案的選擇提供參考。從單獨(dú)運(yùn)輸、裝星運(yùn)輸和地面試驗(yàn)的數(shù)據(jù)比對(duì)可以看出：太陽(yáng)電池陣單獨(dú)運(yùn)輸和裝星運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)響應(yīng)量級(jí)基本相當(dāng)；運(yùn)輸過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)遠(yuǎn)小于地面試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)；經(jīng)疲勞分析，運(yùn)輸不會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生疲勞損傷。

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