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)及傳感器機械接口等組成，用于將推進劑從火箭貯箱輸送至發(fā)動機，通過一個或多個波紋管達到位移補償?shù)淖饔?，是運載火箭增壓輸送系統(tǒng)中重要的單機產品[1]。輸送管路在熱試車或飛行試驗前，需要進行充分的地面試驗考核，暴露薄弱點，提高可靠性[2]。針對管路的密封結構、補償器結構、固定支架及薄弱部位等，按總體規(guī)定的載荷條件進行強度考核，驗證其工作可靠性，為參加試車或飛行試驗提供依據(jù)。當輸送管路包含兩個支管，且兩個支管分別連接航天器的兩個發(fā)動機，此時可將工況考慮為管路的兩個支管端部分別經受振動激勵，為保證正弦振動試驗按照更全面的條件開展考核，需要對支管進行雙臺并激振動控制，實現(xiàn)兩個支管端部的同相位振動和反相位振動。同時，采用雙臺并激方法后，可較大程度上解決振動臺在進行管路大量級隨機振動試驗時推力不足的問題。

1 雙臺并激試驗控制原理

1.1 隨機振動控制原理

用x1(t)和x2(t)表示振動控制器生成的2路隨機驅動信號；y1(t)和y2(t)表示控制點的2路響應信號。假設雙臺并激試驗系統(tǒng)為線性時不變系統(tǒng)。對于x1(t)，x2(t)和y1(t)，y2(t)做傅里葉變換后，系統(tǒng)響應與激勵之間有如下關系：

式中：

X(f)—2階驅動頻譜向量；

Y(f)—2階響應頻譜向量；

H(f)—2×2階系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣；

L(f)—對響應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)進行Cholesky分解產生的2×2階下三角矩陣；

W(f)—具有單位振幅和隨機相位的白噪聲頻譜矩陣。

隨機振動試驗控制的目標就是使響應譜矩陣Gr(f)經過實時修正，與參考譜矩陣Gr(f)匹配。雙臺并激的隨機振動試驗控制流程如圖1所示。

圖1 隨機振動控制原理框圖

1.2 正弦振動控制原理

正弦振動的控制原理與隨機振動類似，其驅動頻譜計算公式為：

在正弦振動控制過程中，振動控制儀根據(jù)Y(f)和H(f)矩陣的實測值來實時修正X(f)，使矩陣Y(f)與參考譜矩陣Yr(f)匹配。

2 雙臺并激試驗系統(tǒng)設計

2.1 被試管路和試驗條件

被試管路為某型號氧輸送管路，為分叉結構。管路沿箭體航向（XC向）的長度約為2 900 mm，其兩個支管的中心距離約為1 500 mm，試驗中液氧采用液氮代替，工作壓力為0.9 MPa，總質量約為280 kg（包含液氮）。振動試驗時，管路上部止推支架采用龍門架固定，下部支管連接振動臺進行振動激勵。

被試管路的振動試驗包括正弦振動試驗和隨機振動試驗，具體條件見表1和表2。

表1 正弦振動試驗條件

表2 隨機振動試驗條件

2.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)的總體方案圖見圖2。試驗系統(tǒng)包括振動加載系統(tǒng)，推力位移加載系統(tǒng)，液氮加注/加壓系統(tǒng)和響應測量系統(tǒng)。

圖2 管路試驗系統(tǒng)的總體方案

這里只針對被試管路的箭體徑向（YC向）的振動加載方案進行說明。

本文對被試管路進行隨機響應分析并進而預估振動臺所需推力。經計算，保守推力可按照管路質量的60 %作為有效質量進行評估，同時考慮振動臺的可動部分質量和振動工裝質量，隨機振動試驗（均方根值為25.19 g）時，采用單臺激勵方式，則振動臺所需的推力至少為140 kN；采用雙臺并激方式，則單臺振動臺所需的推力至少為108 kN。綜合考慮試驗要求，采用2臺正弦推力為180 kN的振動臺開展振動試驗。具體評估步驟不再贅述。

液氮加注工裝為試驗的主要工裝，結構見圖3。工裝采用不銹鋼316 L，焊接成型，分別對接被試管路的兩個支管，并采用石墨環(huán)進行密封連接。液氮加注工裝的結構特點如下：①設置兩個DN25的液氮接口，分別用于液氮的加注和排液；②為了方便調節(jié)支管在加注液氮及加壓時與振動工裝的水平相對位置，在液氮加注工裝上設置4處吊環(huán)安裝位置，并通過彈性繩和吊葫蘆連接承力框架上；③管路在增壓過程中，管路會因內壓增大而伸長，由于管路兩端被限制，形成壓桿穩(wěn)定問題[3]，因此液氮加注工裝上設置導向銷孔，防止被試管路失穩(wěn)；④兩端設置螺紋頂桿結構，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到振動臺，需要在液氮加注工裝和振動臺之間安裝隔熱裝置，阻隔低溫的傳導[4]，同時滿足剛度、阻尼等要求確保振動的傳遞[5,6]。

圖3 液氮加注工裝結構

YC向振動試驗時，被試管路的兩根支管分別通過液氮加注工裝和隔熱板安裝到振動工裝上，振動工裝通過動圈轉接板與振動臺的動圈連接。被試管路的主管止推支架通過轉接工裝與承力框架連接。主管端部通過法蘭管路結構連接至液氮貯箱。YC向振動加載系統(tǒng)見圖4。

圖4 XC向振動加載系統(tǒng)

振動試驗的控制策略見表3。在進行正弦振動試驗時，采用同相位控制方法考核被試管路止推支架位置的強度，采用反相位控制方法考核被試管路的支管分叉位置的強度。

表3 振動試驗控制策略

3 試驗結果

按照以上試驗方案設計，振動控制采用某型號MIMO振動控制儀，加速度測量采用了某型號耐低溫三向加速度傳感器，在被試管路加注液氮和加壓后，開展振動試驗。這里給出YC向振動試驗數(shù)據(jù)，其中正弦振動試驗的控制和響應曲線見圖5和圖6，隨機振動試驗的控制曲線見圖7。

圖5 YC向正弦振動試驗曲線（同相位）

圖6 YC向正弦振動試驗曲線（反相位）

圖7 YC向隨機振動試驗曲線

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

4 結論

通過試驗系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了雙臺并激技術在某型號輸送管路振動試驗中的應用，解決了振動臺的推力問題，完成了該管路的試驗考核任務，滿足試驗要求。同時，振動試驗的同相位控制和反相位控制，能更全面地考核類似結構管路的強度，能夠為管路的動力學分析和結構優(yōu)化提供有價值的試驗數(shù)據(jù)。