楊曉論，潘建平，郝鵬飛，張 勇

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心，太原，030045）

0 引言

傳統(tǒng)發(fā)射模式下，衛(wèi)星在發(fā)射場完成測試加注后，在技術(shù)區(qū)進(jìn)行衛(wèi)星與火箭垂直對接和扣整流罩，衛(wèi)星和整流罩的組合體從技術(shù)廠房垂直轉(zhuǎn)運至發(fā)射工位，轉(zhuǎn)運過程具有距離近（約10 km）、速度慢（不大于5 km/h）、路況好（場內(nèi)優(yōu)良路況）等特點，星箭組合體在轉(zhuǎn)運的過程中，受其他力學(xué)環(huán)境條件影響較小［1］。不僅如此，衛(wèi)星在出廠之前，均會經(jīng)歷力學(xué)試驗考核，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)能夠承受運載火箭的軸向力學(xué)環(huán)境要求，星箭的垂直轉(zhuǎn)運過程對星罩組合體的力學(xué)性能幾乎無影響。而為了完成航天快速發(fā)射任務(wù)，衛(wèi)星將會面臨著十分惡劣的運輸、儲存等條件［2］。

隨著航天機(jī)動發(fā)射力量的組建，全域機(jī)動快速發(fā)射等任務(wù)會越來越多，而衛(wèi)星能否適應(yīng)遠(yuǎn)距離快速機(jī)動轉(zhuǎn)運則是制約航天快速發(fā)射任務(wù)的關(guān)鍵因素，同時為了能夠?qū)崿F(xiàn)廣域、遠(yuǎn)距、快速等發(fā)射需求，無依托衛(wèi)星發(fā)射已是必然趨勢。

為了實現(xiàn)未來空間系統(tǒng)快速作戰(zhàn)需求，衛(wèi)星及火箭均須快速進(jìn)入戰(zhàn)備狀態(tài)，具備星箭快速對接、組合體快速機(jī)動至指定地點、快速發(fā)射等能力。在航天快速機(jī)動發(fā)射任務(wù)中，星箭組合體水平放置于發(fā)射車，在機(jī)動轉(zhuǎn)運過程中，具有機(jī)動距離遠(yuǎn)、機(jī)動轉(zhuǎn)運速度快、運輸路況復(fù)雜等特點。衛(wèi)星需要經(jīng)受來自切向和法向的動態(tài)沖擊、振動等力學(xué)環(huán)境影響，一旦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計余量不足，則可能導(dǎo)致衛(wèi)星結(jié)構(gòu)安全性和整星力學(xué)性能出現(xiàn)問題，影響作戰(zhàn)性能。

為盡快形成航天快速發(fā)射的作戰(zhàn)能力，構(gòu)建遠(yuǎn)距離快速機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)及實驗室條件下衛(wèi)星的振動沖擊環(huán)境，探索機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)過程中外界力學(xué)條件對衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的影響規(guī)律，獲取機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)過程中衛(wèi)星的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，開展在衛(wèi)星運輸和星箭組合體運輸狀態(tài)下，遠(yuǎn)距離快速機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)過程的環(huán)境適應(yīng)性試驗，以確?？焖侔l(fā)射能夠完成多區(qū)域、多地點快速組網(wǎng)，補網(wǎng)發(fā)射等任務(wù)，為航天快速發(fā)射裝備選型提供技術(shù)支撐。

1 研究內(nèi)容

星箭組合體在公路機(jī)動模式下，振動和沖擊對星箭組合體，特別是衛(wèi)星會產(chǎn)生較大影響。本文就星箭組合體試驗方案、試驗數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理方法、仿真分析進(jìn)行了研究。

a）機(jī)動運輸試驗前后力學(xué)狀態(tài)確認(rèn)。

在公路運輸試驗前后，需對衛(wèi)星力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行比對，并以此結(jié)果作為后續(xù)運輸試驗的衛(wèi)星失效標(biāo)準(zhǔn)之一，包括整星掃頻振動試驗方案、姿控部件精度標(biāo)定試驗方案和關(guān)鍵部位拍照比對，通過以上方式可對衛(wèi)星運輸前后星相進(jìn)行確認(rèn)。

b）數(shù)據(jù)處理方法。

制定衛(wèi)星本體和連接部位傳感器分布方案，獲取衛(wèi)星運輸振動沖擊數(shù)據(jù)，對時域數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，提取瞬態(tài)信號進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜轉(zhuǎn)換，截取低頻數(shù)據(jù)；對平穩(wěn)隨機(jī)信號進(jìn)行傅里葉變換，獲取穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振動功率譜密度，為后續(xù)整星力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

c）振動沖擊對衛(wèi)星力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性的影響。

通過對采集數(shù)據(jù)處理分析，構(gòu)建機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)過程中衛(wèi)星振動沖擊檢測環(huán)境，以此研究振動沖擊對星箭連接部位和衛(wèi)星部組件的力學(xué)環(huán)境影響。研究衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及各分系統(tǒng)單機(jī)公路運輸條件下振動耐受程度，確保發(fā)射任務(wù)順利執(zhí)行。

d）衛(wèi)星機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)狀態(tài)下的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。

依據(jù)衛(wèi)星公路運輸試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合仿真進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析總結(jié)，考慮快速發(fā)射應(yīng)用場景，提出衛(wèi)星快速機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)狀態(tài)下的運輸適應(yīng)性指標(biāo)。通過本次試驗及仿真等研究，探尋機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)過程中振動沖擊對衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的影響，一定程度上可改進(jìn)衛(wèi)星，使其適應(yīng)遠(yuǎn)距快速機(jī)動。

2 星箭組合體試驗方案

2.1 試驗前準(zhǔn)備

衛(wèi)星公路運輸試驗以吉林一號（簡稱高分03星）在KZ-1A火箭中的一箭四星發(fā)射為研究案例，衛(wèi)星與四星適配器組合體需要滿足KZ-1A火箭的包絡(luò)、星箭接口、質(zhì)量特性、力學(xué)特性等必要條件。

2.2 試驗工況

三級以上公路運輸包含：三級公路。

車速：40 km/h，20 km/h。

運輸里程：累計不小于500 km（往返）。

行駛狀態(tài)：勻速行駛、過減速帶、轉(zhuǎn)彎、加速、減速。

非常規(guī)路況：選取部分典型道路（坑洼、減速帶等）。

規(guī)劃工況設(shè)置如表1所示。

表1 規(guī)劃工況Tab.1 Planning working conditions

2.3 試驗流程

本試驗?zāi)M星箭組合在三級以上公路運輸所遇到的所有路況，獲取衛(wèi)星運輸過程的力學(xué)輸入條件，試驗流程見圖1。

圖1 試驗流程Fig.1 Test flow chart

根據(jù)任務(wù)需求，對星箭組合公路運輸試驗方案、仿真分析、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行設(shè)計分析，內(nèi)容包括力學(xué)分析、工裝設(shè)計、工裝仿真驗證、試驗工況設(shè)計、傳感器安裝、運輸線路規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集處理、力學(xué)仿真分析等，滿足公路運輸試驗設(shè)計要求。通過試驗數(shù)據(jù)獲得以下結(jié)論：

a）運輸試驗前，高分03 星在X、Y、Z三個方向一階頻率分別為45.62 Hz、24.54 Hz、43.37 Hz；運輸試驗后，高分03星三個方向一階頻率分別為45.34 Hz、24.05 Hz、43.25 Hz，三個方向基頻前后變化均小于0.5 Hz。通過掃頻試驗數(shù)據(jù)對比和仿真分析可知，整星在運輸前后結(jié)構(gòu)狀態(tài)未發(fā)生變化。

b）經(jīng)過公路運輸試驗后，計算公路運輸試驗前后3次衛(wèi)星精度測試實測結(jié)果的算數(shù)平均值，均小于20 s，滿足精度要求。從數(shù)據(jù)對比可知，星箭組合公路運輸試驗前后衛(wèi)星姿控敏感部件狀態(tài)未發(fā)生變化，星箭組合公路運輸試驗產(chǎn)品滿足試驗要求。

c）公路運輸過程中路面不平和車輛突然加速是振動激勵產(chǎn)生的主要原因，正常速度下行駛，振動頻率帶寬在5～200 Hz，車輛經(jīng)過減速帶、坑洼等路況所產(chǎn)生的沖擊對航天器影響較大，相對于單星廂式貨車運輸振動頻率較低，產(chǎn)生的振動沖擊也較小。

d）通過公路運輸試驗，驗證了在三級公路等典型路況條件下的振動與沖擊對于衛(wèi)星在星箭組合運輸條件下影響較小，衛(wèi)星運輸過程中結(jié)構(gòu)及各分系統(tǒng)單機(jī)前后狀態(tài)一致，試驗衛(wèi)星并未出現(xiàn)系統(tǒng)單機(jī)及主承力結(jié)構(gòu)的疲勞或失效，同時獲取不同公路等級運輸載荷譜。

e）試驗衛(wèi)星對于運輸環(huán)境適應(yīng)性較高，在星箭組合公路運輸條件下，能夠滿足航天快速響應(yīng)發(fā)射任務(wù)需求。

3 星箭組合體振動沖擊數(shù)據(jù)分析

為分析振動信號在頻域下的響應(yīng)特性，提取振動傳感器的時域信號，使用FFT算法將時域信號轉(zhuǎn)化到頻域［3］。為抑制信號采樣被截斷引起頻域中的能量泄露，頻譜分析時選用Hanning窗。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計之前，預(yù)設(shè)一個假定條件，即在有足夠樣本量的情況下，待統(tǒng)計的數(shù)據(jù)滿足高斯分布的要求。在此前提下，本文的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法依據(jù)航天器試驗要求中關(guān)于統(tǒng)計方法的說明，即鑒定試驗用的極限預(yù)示環(huán)境值是指用90%置信度估計在至少99%的飛行次數(shù)中不會被超過，驗收試驗用的最高預(yù)示環(huán)境值是指用50%置信度估計在至少95%的飛行次數(shù)中不會被超過。該區(qū)間估計是指按某種置信度估計其值滿足一定百分比范圍，其計算式如下：

式中Ex為按P百分位概率和C百分位置信度下的估計值，對于隨機(jī)振動，該值以功率譜密度的形式來計算；Xm為N個獨立樣本X得到的對數(shù)平均值；σx為樣本x的標(biāo)準(zhǔn)差，以dB 表示（相對于樣本對數(shù)均值），當(dāng)數(shù)據(jù)不充足時可取3 dB；Zp和Zc為標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)變量，即按P的百分比不超過并有C的置信度，Zp和Zc值一般取50，90和95，99。

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

試驗數(shù)據(jù)分析流程見圖2。

圖2 試驗數(shù)據(jù)分析流程Fig.2 Flow chart for experimental data analysis

3.2 沖擊振動響應(yīng)

沖擊激勵是非周期函數(shù)，作用時間很短，而沖擊響應(yīng)通常是瞬態(tài)過程。一個沖擊的輸入脈沖通常使用峰值A(chǔ)0和作用時間t0來描述。然而實際工況中，沖擊激勵都帶有復(fù)雜和不規(guī)則的沖擊力或者沖擊加速度波形。遞歸數(shù)字濾波法利用數(shù)學(xué)上的遞推公式實現(xiàn)濾波的要求，其計算速度快，故選擇遞歸數(shù)字濾波法計算本次試驗的沖擊響應(yīng)譜［4］。

數(shù)字濾波法的數(shù)字濾波波形選擇為斜臺不變數(shù)字濾波模型，廣義斜臺函數(shù)表達(dá)式為

式中u(t-KΔt)為單位階躍函數(shù)；A為t=KΔt時斜臺的斜率。

對沖擊加速度信號進(jìn)行采樣，為Ui。對系統(tǒng)的響應(yīng)采樣，為xi，則遞歸數(shù)字濾波法的遞推公式為

根據(jù)該遞推公式計算得到加速度響應(yīng)離散時間序列，改變系統(tǒng)的固有頻率，求得各個單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)值，即可進(jìn)一步得到加速度響應(yīng)峰值，然后以各單自由度系統(tǒng)固有頻率和其對應(yīng)的響應(yīng)峰值得到?jīng)_擊響應(yīng)譜曲線，見圖3。

圖3 星箭組合運輸星上單機(jī)設(shè)備的三向隨機(jī)振動PSD曲線Fig.3 Three-dimensional random vibratio PSD curve of single equipment on satellite and rocket combined trasportation

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于振動輸入較大，垂向振動輸入時單機(jī)的隨機(jī)響應(yīng)結(jié)果最大。以單機(jī)各方向隨機(jī)振動響應(yīng)的最大方向進(jìn)行疲勞壽命的考核。星箭組合運輸星上單機(jī)設(shè)備的等效加速試驗結(jié)果見表2。

表2 星箭組合運輸星上單機(jī)設(shè)備的等效加速試驗的均方根Tab.2 RMS of equivalent acceleration test for single unit equipment on satellite and rocket combined transportation

通過以上數(shù)據(jù)分析可知，星上單機(jī)設(shè)備隨機(jī)響應(yīng)在星箭組合運輸狀態(tài)下大于單星運輸，單機(jī)設(shè)備的等效加速試驗的均方根均小于單機(jī)驗收級隨機(jī)振動條件下的均方根，滿足保障衛(wèi)星安全運輸?shù)囊蟆?/p>

4 仿真數(shù)據(jù)分析

針對衛(wèi)星快速發(fā)射任務(wù)情況下的路況條件，分析衛(wèi)星運輸過程中星上單機(jī)的振動環(huán)境，通過等效疲勞分析獲取運輸過程中積累的振動損傷，進(jìn)行星箭組合運輸試驗的仿真分析，仿真試驗流程見圖4。

圖4 仿真試驗流程Fig.4 Simulation test flow chart

衛(wèi)星在運輸過程中受到的力學(xué)環(huán)境主要為平穩(wěn)隨機(jī)振動，然后疊加了若干由于路面坑洼而產(chǎn)生的瞬態(tài)信號。確定性振動包括正弦周期振動、復(fù)雜周期振動、瞬態(tài)振動等；非確定性的隨機(jī)振動通常是非周期的，知道其歷程只能預(yù)示各振幅出現(xiàn)的相對概率，而不能預(yù)示某一給定時刻的瞬時值。本文對星箭組合體公路運輸試驗進(jìn)行隨機(jī)振動和沖擊響應(yīng)仿真分析，以獲取衛(wèi)星力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。

采用通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件建立整星結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的有限元模型，建模時對結(jié)構(gòu)的不同組件進(jìn)行了簡化［5］，具體如下：

a）承力筒：承力筒筒體簡化為復(fù)合材料殼單元，承力筒上、下端框簡化為金屬材料梁單元，承力筒使用六面體實體單元劃分網(wǎng)格并與承力筒建立綁定接觸約束。

b）太陽翼：帆板基板簡化為復(fù)合材料殼單元，電池使用非結(jié)構(gòu)質(zhì)量等效建立在復(fù)合材料殼單元上，帆板基板邊緣框簡化為梁單元，帆板鉸鏈等效為彈簧單元，接口關(guān)系用rigid單元連接到星體模型上。

c）適配器支架：使用六面體實體單元劃分適配器支架有限元模型，衛(wèi)星支腿與適配器支架使用rigid單元連接來模擬螺釘連接。適配器支架底部通過減振器與振動輸入相連。

d）星上單機(jī)：為簡化模型，星上單機(jī)建立質(zhì)量點等效單機(jī)的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小型單機(jī)用rigid單元將質(zhì)量點連接到單機(jī)安裝點上，而質(zhì)量較大單機(jī)使用梁單元將質(zhì)量點連接到單機(jī)安裝點上。

最終完成的星箭組合運輸狀態(tài)有限元模型見圖5。

圖5 星箭組合運輸狀態(tài)有限元模型Fig.5 Finite element model of satellite and rocket combined transportation state

根據(jù)裝備實驗室環(huán)境試驗方法中卡車運輸路線要求，對星箭組合體運輸狀態(tài)進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析，隨機(jī)振動PSD曲線見圖6。

圖6 15次隨機(jī)振動PSD曲線Fig.6 15 random vibration PSD curve

根據(jù)公路運輸試驗?zāi)康牟⒁罁?jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計文件，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，對星箭組合體公路運輸試驗進(jìn)行仿真分析。首先，通過包絡(luò)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選擇對運輸試驗結(jié)構(gòu)件進(jìn)行方案設(shè)計，包括適配器、減振器等，適配器質(zhì)量低于60 kg，采用橡膠減振器；其次，對運輸狀態(tài)和仿真分析流程進(jìn)行分析，以滿足公路運輸試驗要求；然后，對星箭組合體進(jìn)行動/靜力學(xué)分析，獲取其力學(xué)特性，星箭組合體一階橫向頻率為14.8 Hz、15.7 Hz，一階縱向頻率為45.7 Hz；最后，對星箭組合體進(jìn)行公路運輸仿真分析，獲取星上單機(jī)設(shè)備力學(xué)特性。其中，安裝點位置隨機(jī)響應(yīng)小于1g，沖擊響應(yīng)小于0.5g，遠(yuǎn)小于單機(jī)設(shè)備環(huán)境組件力學(xué)試驗要求，具有較強(qiáng)的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。

通過以上分析，可知高分03 星的一箭四星在公路運輸條件下振動耐受程度能夠滿足星箭組合體機(jī)動轉(zhuǎn)進(jìn)快速發(fā)射需求，星箭適配器支架及減振器設(shè)計符合公路運輸機(jī)動快速發(fā)射要求。

5 結(jié)論

通過對以上公路運輸試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)試驗和力學(xué)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論。

獲取衛(wèi)星在單獨和星箭組合兩種運輸條件下，經(jīng)由三級以上公路運輸過程中傳遞到衛(wèi)星的振動及沖擊等力學(xué)輸入條件。通過對公路運輸前后衛(wèi)星掃頻振動、精度標(biāo)定及定點拍照等對比，衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)力學(xué)特性未發(fā)生變化，姿控精度部件幾何位置關(guān)系未發(fā)生變化，表明衛(wèi)星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、材料穩(wěn)定、加工工藝可靠，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

通過對試驗數(shù)據(jù)處理和仿真分析可知，高分03星運輸過程中結(jié)構(gòu)及各分系統(tǒng)單機(jī)前后狀態(tài)一致，未發(fā)生疲勞破壞或失效，滿足航天快速響應(yīng)發(fā)射任務(wù)需求。通過對星箭組合體公路運輸仿真，獲取星箭組合體固有頻率及星上單機(jī)設(shè)備力學(xué)響應(yīng)，遠(yuǎn)小于單機(jī)設(shè)備力學(xué)環(huán)境試驗要求，同時表明高分系列衛(wèi)星快速發(fā)射狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)及各分系統(tǒng)單機(jī)未發(fā)生疲勞破壞或失效，具有較強(qiáng)的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，能夠滿足機(jī)動快速發(fā)射任務(wù)需求。

本文以星箭組合體為研究對象，對星箭組合體在機(jī)動運輸條件下所受到的振動、沖擊等外界力學(xué)環(huán)境的影響進(jìn)行分析研究。結(jié)合工程實際，提出一種星箭組合體機(jī)動運輸試驗方案，對具體試驗流程、試驗數(shù)據(jù)獲取與處理方法以及力學(xué)仿真分析方法進(jìn)行了試驗驗證。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明星箭組合體機(jī)動運輸試驗方案可以驗證星箭組合體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計的正確性和有效性。