王曉飛,林濤,王蕾,郭林,麻連凈,楊靜
(1.北京無線電測量研究所,北京 100143; 2.北京機電工程研究所,北京 100074)
航天器在再入大氣層時或在大氣層內(nèi)高速飛行時,會遇到嚴酷的氣動熱噪聲復(fù)合環(huán)境,航天器表面熱結(jié)構(gòu)和熱防護系統(tǒng)的溫度可達1 200 ℃以上,噪聲聲壓級可達160 dB以上。熱噪聲復(fù)合環(huán)境會引起材料的物性參數(shù)變化,改變結(jié)構(gòu)溫度場、熱應(yīng)力分布和動力學(xué)特性,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熱噪聲疲勞破壞,嚴重影響航天器結(jié)構(gòu)和設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。這是一種新的破壞模式,熱和噪聲之間存在著相互耦合的關(guān)系,相應(yīng)的理論計算十分復(fù)雜,仿真模擬技術(shù)也不成熟。為了驗證航天器結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)計的合理性,考核其環(huán)境適應(yīng)性和可靠性,需要構(gòu)建地面熱噪聲環(huán)境。地面熱噪聲環(huán)境一般分為兩大類,包括混響室熱噪聲環(huán)境和行波管熱噪聲環(huán)境。
在構(gòu)建熱噪聲環(huán)境方面,國內(nèi)外可供參考的方法不多,大多是構(gòu)建常溫噪聲環(huán)境的,例如:GJB 150.17A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 噪聲試驗》、GJB 1197A-2017《航天器聲試驗方法》、MSFCDOC-2042《先進固體火箭助推器振動、噪聲和沖擊設(shè)計及試驗準(zhǔn)則》、NASA-STD-7001A《有效載荷聲振試驗準(zhǔn)則》等[1-4]。GJB 150.25A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 振動-噪聲-溫度試驗》中提及了溫度,但溫度范圍只有(-40~80)℃,不能覆蓋航天器氣動熱所產(chǎn)生的1 200 ℃以上高溫[5]。QJ 20933-2020《飛行器熱噪聲復(fù)合環(huán)境試驗方法》提到了基于行波管的熱噪聲試驗,沒有包含混響室熱噪聲環(huán)境,而且其主要規(guī)定的是試驗操作和實施層面的內(nèi)容,沒有包含構(gòu)建熱噪聲環(huán)境所需的構(gòu)建原則、構(gòu)建依據(jù)、構(gòu)建參數(shù)和構(gòu)建流程等內(nèi)容[6]。
筆者根據(jù)多年從事航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建的實踐經(jīng)驗[7-11],結(jié)合當(dāng)前裝備設(shè)計能力和試驗技術(shù)的發(fā)展,調(diào)研了解同行業(yè)各單位的實際工作,對航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建方法進行了總結(jié)和論述,為航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建的全流程提供參考和指導(dǎo)。
航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建的一般原則包括:
1)真實性:試驗應(yīng)采用真實航天裝備的結(jié)構(gòu)、組件、組合或系統(tǒng)作為試驗件,按照以飛行實測數(shù)據(jù)或地面風(fēng)洞、熱試車等試驗實測數(shù)據(jù)歸納出的熱環(huán)境和噪聲環(huán)境條件構(gòu)建試驗。試驗件的安裝邊界條件應(yīng)盡量模擬航天裝備實際的安裝條件。
2)覆蓋性:航天裝備應(yīng)根據(jù)飛行剖面、氣動布局和結(jié)構(gòu)特性,選擇前緣、翼舵、進氣道和蒙皮等所有經(jīng)受高量級熱噪聲復(fù)合環(huán)境的結(jié)構(gòu)、組件、組合或系統(tǒng)開展熱噪聲試驗,試驗時選取的熱環(huán)境和噪聲環(huán)境條件應(yīng)覆蓋試驗件環(huán)境條件的最高要求。應(yīng)根據(jù)試驗件經(jīng)受的聲場類型選擇合適的噪聲環(huán)境模擬設(shè)備,擴散場和空腔共鳴聲場一般選用混響室噪聲環(huán)境模擬設(shè)備,掠入射聲場一般選用行波管噪聲環(huán)境模擬設(shè)備。
3)可控性:熱環(huán)境模擬設(shè)備及噪聲環(huán)境模擬設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有根據(jù)試驗條件進行自動控制的功能,保證熱環(huán)境和噪聲環(huán)境的有序施加,控制精度應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或試驗大綱要求。熱環(huán)境模擬設(shè)備及噪聲環(huán)境模擬設(shè)備還應(yīng)具有過載報警保護功能,避免出現(xiàn)過試驗考核。
航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建的主要依據(jù)包括:
1)航天裝備試驗件在壽命周期內(nèi)的使用環(huán)境保管條件;
2)航天裝備試驗件的性能參數(shù);
3)航天裝備試驗件的環(huán)境適應(yīng)性試驗大綱、任務(wù)書等指導(dǎo)性文件。
航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建的主要設(shè)計輸入?yún)?shù)包括:
1)熱載參數(shù):隨時間變化的溫度升降歷程曲線;
2)噪聲參數(shù):以1/3倍頻程表示的聲壓級譜線和持續(xù)時間;
3)控制參數(shù):熱環(huán)境及噪聲環(huán)境的控制精度和允差范圍;
4)測量參數(shù):熱環(huán)境及噪聲環(huán)境的測量精度、采樣頻率、測點位置和通道數(shù);
5)尺寸參數(shù):航天裝備試驗件的外形尺寸和安裝接口的尺寸,以及參試設(shè)備、管路、線纜等尺寸。
航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建的一般流程如下:
1)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或分析航天裝備飛行實測數(shù)據(jù)或地面風(fēng)洞、熱試車等試驗實測數(shù)據(jù),制定出熱噪聲試驗的熱環(huán)境和噪聲環(huán)境條件;
2)根據(jù)熱噪聲環(huán)境條件和航天裝備試驗件技術(shù)狀態(tài),編制試驗大綱等指導(dǎo)性文件,明確熱噪聲試驗環(huán)境構(gòu)建的設(shè)計輸入?yún)?shù);
3)開展環(huán)境構(gòu)建方案設(shè)計,設(shè)計和選用合適的熱環(huán)境及噪聲環(huán)境模擬設(shè)備,預(yù)估環(huán)境構(gòu)建效果;
4)按照設(shè)計的環(huán)境構(gòu)建方案,為航天裝備試驗件組建熱噪聲環(huán)境模擬系統(tǒng);
5)分別進行熱環(huán)境和噪聲環(huán)境的單場調(diào)試,評估環(huán)境模擬的準(zhǔn)確性;
圖1 航天裝備熱噪聲環(huán)境的構(gòu)建流程圖
7)根據(jù)兩次調(diào)試的情況,開展正式的熱噪聲環(huán)境模擬試驗。
航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建需要熱加載設(shè)備、熱控制設(shè)備、熱測量設(shè)備、噪聲加載設(shè)備、噪聲控制設(shè)備和噪聲測量設(shè)備。根據(jù)噪聲加載設(shè)備的不同,可分為混響室熱噪聲環(huán)境和行波管熱噪聲環(huán)境兩大類,兩類的設(shè)備組成示意圖如圖2和圖3所示。
圖2 混響室熱噪聲環(huán)境設(shè)備組成示意圖
圖3 行波管熱噪聲環(huán)境設(shè)備組成示意圖
熱加載設(shè)備通常采用石英燈加熱器,加熱溫度范圍為室溫~1 200 ℃,可組成任意形狀的燈陣,適用于對結(jié)構(gòu)表面進行加熱。一般要求如下:
1)應(yīng)事先進行設(shè)計校核,滿足強度和剛度要求,避免因高溫和強噪聲發(fā)生變形或破壞而危及試驗正常進行;
2)能同時對所有溫區(qū)提供正確的試驗熱載荷,保證各溫區(qū)最高溫度、溫升速率和控制精度等要求;
3)應(yīng)有可靠的措施(隔熱、冷卻等)防止設(shè)備過溫;
4)應(yīng)有超溫保護、安全保護裝置;
5)加熱器的布置應(yīng)以減少功率消耗,實現(xiàn)調(diào)功設(shè)備的優(yōu)化配置為原則;
隨著年齡的增加,柴松巖晚年一日三餐甚少食肉,亦不食辛辣之物。她說:“兩千多年前孔子告訴我們‘肉雖多,不使勝食氣’,就是提倡不可食肉多于食谷。油甘厚味滋膩,多食脾不運化,水濕內(nèi)停,就有疾病發(fā)生的可能。這些老祖宗留下的觀點,就是我的健康觀、食療觀、膳食觀?!辈簧倮夏耆顺8袊@“氣不足,事情做多了有力不從心之感”,對于這個問題,柴松巖很爽快地回答道:“那就睡覺啊,《黃帝內(nèi)經(jīng)》里說了,‘陽氣盡則臥,陰氣盡則寐’,藥補不如食補,食補不如睡補,睡眠是最好的補藥。”
6)加熱器的布置應(yīng)考慮參數(shù)測量要求;
7)加熱設(shè)備應(yīng)保證對加熱溫區(qū)加熱均勻,同時應(yīng)有較好的經(jīng)濟性;
8)加熱器能方便拆裝與移動,實現(xiàn)加熱設(shè)備的通用化、模塊化為原則;
9)在試驗件變形或發(fā)生破壞時,加熱器宜具有隨動裝置;
10)在噪聲氣流的影響下中,能保持提供正確的試驗熱載荷。
熱控制設(shè)備能對試驗中使用的加熱器進行自動控制,保證加熱器有序工作,保證每個溫區(qū)按照熱載條件進行加熱。一般要求如下:
1)能依據(jù)送試方要求,進行溫度控制、熱流密度控制與溫度熱流密度聯(lián)合控制;
2)穩(wěn)態(tài)溫度控制精度一般不大于3 %,穩(wěn)態(tài)熱流控制精度一般不大于6 %。
3)能顯示各溫區(qū)加熱控制情況;
4)具有超溫保護,緊急斷電功能;
5)具有故障報警功能。
熱測量設(shè)備通常采用溫度傳感器、熱流傳感器和溫度采集器。一般要求如下:
1)溫度采樣頻率一般不低于2 Hz;
2)溫度傳感器的安裝應(yīng)根據(jù)大綱要求的測溫點位置進行安裝與布置,溫度傳感器的安裝和信號線敷設(shè)簡便、可靠且對熱場的干擾影響小;
3)在測量結(jié)構(gòu)表面溫度時,溫度傳感器及測量導(dǎo)線需要采取防護措施,以避免加熱器強電磁場干擾,并對測量數(shù)據(jù)進行科學(xué)地處理和修正;
4)根據(jù)被測部位溫度的高低,合理選擇溫度傳感器。K型熱電偶適用溫度范圍是(-200~1 300)℃,可廣泛適用于金屬和非金屬溫度測量。S型熱電偶適用溫度范圍是(0~1 600)℃,B型熱電偶適用溫度范圍(0~1 800)℃,C型熱電偶適用溫度范圍(0~2 000)℃;
5)金屬材質(zhì)(鋁合金等高導(dǎo)電性金屬除外)的試驗件測溫一般采用點焊熱電偶的方式進行安裝,一般采用平行焊接式;
6)非金屬材質(zhì)以及鋁合金等高導(dǎo)電性金屬的試驗件測溫一般采用V形焊接將兩根熱電偶絲形成熱結(jié)點,然后利用高溫膠黏劑安裝在試驗件表面,并按膠黏劑固化工藝進行固化。
7)熱流傳感器的安裝應(yīng)根據(jù)大綱要求的熱流測量點布置圖進行安裝和布置;
8)熱載荷模擬試驗中一般采用圓箔式熱流傳感器進行熱流密度測量,其測量范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)快,且便于安裝,測量范圍為(20~4 000)kW/m2;
9)安裝熱流傳感器時,敏感面應(yīng)保證與被測面處于同一平面內(nèi)。
噪聲加載設(shè)備包括混響室和行波管兩種類型?;祉懯以肼暭虞d設(shè)備通常由氣源、混響室本體、揚聲器、喇叭、消聲道和大門組成。一般要求如下:
1)具有較好擴散特性的長方體空間或不規(guī)則形狀的立體空間;
2)混響室最高總聲壓級和工作頻率范圍應(yīng)滿足試驗要求;
3)容積一般不小于試驗件體積的10倍;
4)在空室狀態(tài)下,混響室的總聲壓級均勻度應(yīng)滿足試驗要求,一般為(-2~+4)dB;
5)最低可用頻率處1/3倍頻程內(nèi)一般應(yīng)具有7個模態(tài);
6)聲譜成型能力應(yīng)滿足試驗條件控制要求;
7)排放氣體應(yīng)進行消聲處理,滿足環(huán)保要求;
8)混響室大門設(shè)計應(yīng)符合環(huán)保要求對混響室聲場影響應(yīng)盡量小。一般要求基頻不大于20 Hz,隔聲效果不小于60 dB。
行波管噪聲加載設(shè)備通常由氣源、揚聲器、喇叭段、試驗段、擴散段和消聲道組成。一般要求如下:
1)典型的行波管截面為方形或圓形;
2)行波管最高總聲壓級和工作頻率范圍應(yīng)滿足試驗要求;
3)行波管試驗段的橫截面積應(yīng)滿足減少輻射阻尼和避免出現(xiàn)橫向駐波的要求;
4)為保證聲場的均勻性和有效聲功率,行波管的工作截面應(yīng)大于組件尺寸的(10~25)%,例如:最典型的圓柱形組件,組件與行波管之間的環(huán)形空隙,應(yīng)是組件直徑的(10~25)%;
5)行波管的終端裝置應(yīng)能吸收95 %以上的聲能,并使氣流自由通過。
噪聲控制設(shè)備通常采用聲學(xué)控制器。一般要求如下:
1)具有單通道或多通道輸出控制功能,控制帶寬涵蓋(22.5~11 200)Hz;
2)具有多通道輸入采集功能,輸入精度≤±0.1 dB;
3)耦合方式具有IEPE、AC、DC模式;
4)具有按時間自動和手動逐級加載功能;
5)具有倍頻程、1/3倍頻程的顯示和控制方式;
6)具有最大值、最小值和平均值控制方式選擇;
7)具有控制聲譜的實時存儲和顯示功能;
8)具有超量級保護和急停功能;
9)具有故障報警功能。
噪聲測量設(shè)備通常由聲傳感器、信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集器等組成。一般要求如下:
1)噪聲測量設(shè)備應(yīng)具有(22.5~11 200)Hz范圍內(nèi)聲壓級的測量和處理能力,頻響特性平坦,偏差≤±0.1 dB;
2)聲傳感器的敏感直徑不應(yīng)大于試驗頻率上限所對應(yīng)波長的20 %;
3)聲傳感器能進行隨機入射測量,并具有高于試驗聲壓10 dB的測量能力;
4)信號調(diào)理器應(yīng)能與選用的聲傳感器相匹配,在試驗頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的線性度和頻響特性;
5)數(shù)據(jù)采集器應(yīng)具有實時采集和顯示功能,能直接顯示倍頻程、1/3倍頻程聲譜。
根據(jù)航天裝備的環(huán)境構(gòu)建指導(dǎo)性文件和環(huán)境構(gòu)建方案,開展熱環(huán)境的構(gòu)建實施:
1)在試驗件表面采用焊接的方式安裝溫度傳感器,若試驗件表面不具備焊接條件,可采用耐高溫膠粘接的方式;
2)記錄溫度傳感器位置、傳感器編號和通道編號;
3)溫度傳感器線纜沿試件引出,并在試件局部固定;
4)溫度傳感器的安裝和線纜的敷設(shè)選用簡便可靠,且避免對熱場和噪聲場產(chǎn)生干擾;
5)溫度傳感器線纜遠離加熱器模塊動力電纜,避免電磁干擾;
6)進行溫度傳感器與測量電纜的導(dǎo)通檢查;
7)在試驗件附件安裝和布置熱流傳感器,敏感面應(yīng)保證與被測面處于同一平面內(nèi);
8)將加熱器安裝按照試驗件外形布置于試驗件一側(cè)或周圍;
9)加熱器與試驗件保持合適距離,在噪聲激勵下不與試驗件磕碰,又能達到預(yù)期的加熱效果;
10)加熱器應(yīng)選用能耐受高噪聲環(huán)境的石英燈管;
11)將加熱器、加熱控制設(shè)備、溫度傳感器、熱流傳感器連成閉環(huán)控制系統(tǒng),并正確設(shè)置設(shè)備參數(shù)。
根據(jù)航天裝備的環(huán)境構(gòu)建指導(dǎo)性文件和環(huán)境構(gòu)建方案,開展噪聲環(huán)境的構(gòu)建實施:
1)行波管試驗時,將試驗件安裝在行波管試驗段的中間位置,使試驗件沿實際飛行來流方向與試驗段管道平行,使噪聲激勵施加在整個外表面上;
2)混響室試驗時,應(yīng)使試驗件所有外表面暴露在聲場中,不受到任何遮擋,其主要表面不應(yīng)與混響室任一壁面平行,且試驗件外表面距離混響室內(nèi)壁面應(yīng)大于1.0 m;
3)試驗件采用彈性支撐或彈性懸掛方式安裝,試驗件和彈性懸掛裝置組成的系統(tǒng)的一階固有頻率應(yīng)低于25 Hz或最低試驗頻率,兩者取其小者;
4)試驗件連接的電纜及其它裝置等不應(yīng)對試驗件的試驗狀態(tài)產(chǎn)生附加約束影響;
5)在試驗件附近安裝傳聲器,傳聲器應(yīng)避開熱場高溫環(huán)境,并與試件表面、行波管內(nèi)壁或混響墻體保持適當(dāng)距離,防止出現(xiàn)駐波;
6)記錄傳聲器位置、方向、傳聲器編號、通道編號和靈敏度;
7)選用低噪聲測量電纜連接傳聲器,線纜應(yīng)遠離熱場,避免高溫影響,也要遠離加熱器模塊動力電纜,避免電磁干擾;
8)進行傳聲器與測量電纜的導(dǎo)通檢查;
9)將揚聲器、噪聲控制設(shè)備、噪聲傳感器連成閉環(huán)控制系統(tǒng),并正確設(shè)置設(shè)備參數(shù);
10)試驗前對試驗區(qū)域人員進行清場,避免高聲強噪聲對人體造成傷害。
對主要試驗設(shè)備按加熱、測控、安全保護等系統(tǒng)分別逐一調(diào)試,考核它們的功能是否滿足各自的設(shè)計要求。調(diào)試主要項目如下:
1)加熱器各組燈陣對應(yīng)的加熱溫區(qū)是否正確;
2)各組燈陣中的加熱元件是否正常工作;
3)各測溫點、控溫點的溫度值是否正確,有無壞點情況,如有異常,進行檢查排除非正常因素以后再進行調(diào)試,直至調(diào)試通過;
4)試驗調(diào)試過程填寫試驗檢測記錄表;
5)加熱系統(tǒng)調(diào)試以試驗大綱規(guī)定的溫度曲線為基準(zhǔn)進行調(diào)試,一般加熱調(diào)試時間不超過50 s,加熱溫度依據(jù)相關(guān)要求進行;
6)檢查確認溫度控制曲線是否在試驗允差內(nèi);
7)檢查確認控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)的運行情況;
8)檢查確認試驗件、傳感器的安裝有無異常情況;
9)在正式的環(huán)境加載前保持狀態(tài)。
噪聲環(huán)境調(diào)試的內(nèi)容如下:
1)對傳聲器逐一進行通道檢查和確認;
2)對揚聲器狀態(tài)是否良好進行確認;
3)按試驗條件要求設(shè)置控制參數(shù)并檢查;
4)按試驗條件逐一進行試驗加載和調(diào)試;
5)試驗調(diào)試過程填寫試驗檢測記錄表;
6)檢查確認噪聲控制譜是否在試驗允差內(nèi);
7)檢查確認各噪聲測量點的響應(yīng)是否滿足要求;
8)檢查確認各噪聲加載設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)是否正常;
9)檢查確認試驗件、傳感器的安裝有無異常情況;
10)在正式的環(huán)境加載前保持狀態(tài)。
正式的熱噪聲環(huán)境加載前,采用小量級熱噪聲聯(lián)合調(diào)試試驗,目的如下:確認噪聲系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的工作匹配性以及試驗件在低溫度、小量級噪聲條件下的適應(yīng)性;同時進行試驗口令協(xié)調(diào),進行冷操,作為正式環(huán)境加載前的演練。
經(jīng)熱噪聲聯(lián)合調(diào)試,確認無問題后,開展正式的熱噪聲環(huán)境加載,一般要求如下:
1)按照規(guī)定的試驗條件以及調(diào)試中確定的控制方案進行試驗;
2)監(jiān)測噪聲控制譜是否在試驗允差內(nèi),監(jiān)測各噪聲測量點的響應(yīng)、音頭功放參數(shù);
3)監(jiān)測溫度控制數(shù)值是否在試驗允差內(nèi),監(jiān)測各溫度、熱流密度測量點響應(yīng);
4)監(jiān)測試驗大綱中規(guī)定的其它物理量,如:振動、應(yīng)變等;
5)監(jiān)測試驗件外觀、功能、性能參數(shù)變化;
6)試驗中若上述被監(jiān)測內(nèi)容有意外情況發(fā)生,應(yīng)做記錄,并立即報告現(xiàn)場指揮,視情況發(fā)生中斷。
正式的熱噪聲環(huán)境加載結(jié)束后,須進行相關(guān)數(shù)據(jù)的判讀和結(jié)果的評定:
1)檢查試驗件外觀和結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)明顯變形或破壞現(xiàn)象,并做必要的記錄;
2)對試驗件的功能、性能參數(shù)進行判讀分析,檢查相關(guān)參數(shù)是否有效;
3)檢查噪聲、熱載荷是否滿足試驗大綱或任務(wù)書的技術(shù)要求;
4)檢查試驗數(shù)據(jù)是否完整可靠,數(shù)據(jù)規(guī)律是否正常;
5)確定試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果有效后,試驗結(jié)束。
對高速飛行的航天器結(jié)構(gòu)和設(shè)備進行熱噪聲試驗已經(jīng)越來越受到設(shè)計人員的重視,本文根據(jù)筆者多年從事航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建的實踐經(jīng)驗,結(jié)合當(dāng)前裝備設(shè)計能力和試驗技術(shù)的發(fā)展,調(diào)研了解同行業(yè)各單位的實際工作,對航天裝備熱噪聲環(huán)境構(gòu)建方法進行了總結(jié)和論述,為從事該專業(yè)方面的技術(shù)人員開展論證、實施構(gòu)建、編制文件等提供參考和指導(dǎo)。