CC BY
164
УДК 629.78.018.4:620.172/178
Н. А. Тестоедов
ОСОБЕННОСТИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Перечислены особенности статических испытаний (СТИ) космических аппаратов. Рассмотрены действующие нагрузки и расчетные случаи. Названы цели СТИ. Описаны СТИ отсеков и силовых узлов на стадии проектирования, а также испытания космических аппаратов в сборе. Приведены структурные схемы СТИ.
Стендовые испытания в зависимости от создаваемой скорости нагружения разделяются на статические и динамические. Если имитация продольно сжимающего усилия, действующего на космический аппарат (КА) от тяги ракетоносителя (РН), или вибрации от пульсации тяги РН не вызывают трудностей в выборе способа испытаний, то подход к наземной отработке старта и разделения ступеней РН неоднозначен. В процессе указанных нагружений на конструкцию КА одновременно действуют значительные сжимающие усилия, изменяющиеся в процессе старта и разделения ступеней, и знакопеременные нагрузки, вызываемые упругими колебаниями элементов космического комплекса.
Традиционно при имитации динамических процессов в наземно-экспериментальной отладке (НЭО) наиболее широкое применение получили статические методы, при которых нагружение конструкции создается комбинацией постоянных или изменяемых по этапам сил, прикладываемых к конструкции в отдельных точках или плоскостях.
Величины нагрузок соответствуют максимальным усилиям, рассчитанным из динамики КА или измеренным в результате запуска изделия-аналога, умноженным на коэффициент безопасности. Метод прост, не требует сложного испытательного оборудования, обеспечивает высокую точность воспроизведения испытательных режимов и вполне применим к испытаниям механических систем, не имеющих собственных тонов колебаний в диапазоне частот натурных воздействий.
При наземной эксплуатации и полете изделие нагружается системой инерционных и аэродинамических сил, а также внутренним давлением, которые воспринимаются корпусом и силовыми узлами конструкции. При этом рассматриваются следующие расчетные случаи:
- наземная эксплуатация;
- предстартовая подготовка;
- технологические операции;
- полетные случаи нагружения.
Процесс подготовки к отправке КА «Экспресс АМ», транспортировки и старта представлен на рис. 1-3.
Действующие нагрузки сводятся в общем случае к осевым и перерезывающим силам, изгибающим и крутящим моментам, внутреннему избыточному давлению, а также локальным силам, действующим на отдельные силовые узлы конструкции.
Под статическими испытаниями понимается нагружение в лабораторных условиях объекта в сборе или отдельных его отсеков и узлов испытательными нагрузками, имитирующими эксплуатационные.
СТИ преследуют следующие цели:
- определение напряженно-деформированного состояния конструкции при нагружении;
- выявление жесткостных параметров конструкции путем замеров общих и местных перемещений;
- проверку технологии изготовления;
- экспериментальную проверку методов расчета и конструкции на прочность;
- экспериментальное определение разрушающих нагрузок.
Рис. 1. Загрузка КА «Экспресс АМ» в транспортный контейнер
Рис. 2. Перезагрузка КА «Экспресс АМ» в транспортный самолет
В качестве исходных данных для СТИ в каждом расчетном случае задаются внешние нагрузки, распределение изгибающих моментов, продольных и поперечных сил; давление внешнее и внутреннее по корпусу изделия, локальные нагрузки, приходящие на отдельные силовые узлы конструкции.
Отработка статической прочности в лабораторных условиях может быть разбита на три последовательных этапа:
1) СТИ силовых узлов конструкции и отдельных отсеков на стадии проектирования;
2) испытания изделия в сборе;
3) автономные испытания отдельных сборок.
Анализ силовой схемы выявляет критичные с точки
зрения прочности узлы. СТИ в процессе проектирова-
ния могут выполняться на специально изготовленной для этих целей материальной части (полноразмерной силовой конструкции).
Основная цель - получение информации о несущей способности отсеков и узлов. Максимальная нагрузка, которую способна конструкция воспринять при заданных условиях нагружения, называется разрушающей нагрузкой или несущей способностью. При нагрузке, близкой к разрушающей, конструкция деформируется при почти постоянном усилии, возникают зоны пластической деформации и т. д.
По результатам СТИ составляется заключение о прочности, необходимости доработок, их характере с целью усиления или облегчения конструкции.
На данном этапе не всегда удается достичь реальных условий нагружения, да и нагрузки определяются на основе приближенных представлений о поведении всей конструкции при нагружении (гипотеза плоских сечений, балочная схема и т. д.). Поэтому настоящие испытания не исчерпывают отработку прочности конструкции, не позволяют исключить непредвиденные местные разрушения объектов и узлов при дальнейших испытаниях и более грамотно выбрать силовую и расчетную схемы изделия.
Наиболее полная и достоверная информация о поведении конструкции при нагружении и ее несущей способности может быть получена при СТИ на специальных комплектах материальной части, включающих все силовые узлы конструкции при штатном соединении всех узлов и отсеков.
Нагружение производится в два этапа. На первом нагружении этапами 10...20 % нагрузки доводится до испытательных значений с тензометрированием по полной программе на каждом этапе. На втором этапе, предназначенном для выявления фактических запасов прочности конструкции, нагрузки должны быть доведены до расчетных значений или до разрушения. Если материальная
часть уникальна или предназначена для испытаний на несколько расчетных случаев, нагружение прекращается при 90 % от расчетных значений.
В случае отрицательных результатов после доработки и замены разрушенных отсеков и узлов проводятся дополнительные испытания или в сборе, или отдельных сборок и узлов.
Отдельные сборки изделия проходят автономные СТИ (если невозможно провести СТИ в сборе или не выявлены или недостаточны Фактические запасы прочности и т. д.), они могут проходить и по полной, и по сокращенной (если П ^ 1) программам.
Структурная схема стенда СТИ показана на рис. 4. Схема испытаний системой сосредоточенных сил и схема нагружения знакопеременным давлением представлены на рис. 5и 6.
Рассмотрим моделирование исполнительного органа, которым является гидроцилиндр. От маслонасосной станции подача рабочего тела осуществляется в цилиндры 1 и 2 в зависимости от положения управляемого по сигналам агрегата управления (рис. 4).
Аналитическое описание гидропривода проводилось при следующих допущениях:
1) давление, температура и вязкость потока рабочей жидкости постоянны, т. е. имеет место установившийся тепловой режим;
2) золотник и исполнительный орган гидроцилиндра симметричны;
3) волновые процессы в соединительных трубопроводах и полостях гидроцилиндра отсутствуют;
4) потери давления в соединительных трубопроводах между сервовентилем и гидроцилиндром отсутствуют;
5) режим течения рабочей жидкости в соединительных трубопроводах турбулентный;
6) утечки из полостей золотниковой втулки пренебрежимо малы;
Рис. 3. Стартовая подготовка и старт КА «Экспресс АМ» с космодрома Байконур
7) перетекание жидкости между полостями гидроцилиндра и утечки из его полостей пропорциональны соответствующим перепадам давления;
8) толкающее усилие стенда значительно и не менее, чем в два раза превосходит реакцию объектов испытаний и КА на привод;
9) управление сервовентилем осуществляется электродинамическим устройством.
Работа гидроцилиндра описывается системой дифференциальных уравнений движения штока:
X = X 2;
X = -—X1 - Н .X 2 + РX 3;
м 1 м 2 м 3
X = ±—зМх . IР|- Рсл - Хз51§пХ - ^2,
(3)
где
7 = К ;
шт шт >
Р к н
и = -^(Р -Р2)---------------------------7-и
шт Г 1 ^ м шт м ш
Хі = 7шт; Х = ^лт; Х = Р. - Р2; £, = ^>;
N
1 1
К + Кл К + Кл
• К=К±РХ ■ К =К±РХ ■
, К 1 К ^ .1 Л 1, К. 1 ;
(1)
и нелинейным уравнением расходно-перепаднои характеристики:
Вж - сжимаемость жидкости; V, V, ¥0 - объемы жидкости в левой и правой полостях и начальный объем полости гидроцилиндра соответственно.
Последнее уравнение системы (3) линеаризуется в окрестности рабочей точки. Тогда оно принимает вид
Qг = —з X
Xз = Xз (0) ±
/РП - Рсл - (Р- Р2 )
2 ’
где У , V - перемещение и скорость штока гидроцилиндра соответственно; М, Н, К-масса штока, коэффициенты демпфирования и жесткости рабочей жидкости (масляного столба) соответственно; Ру - площадь поршня гидроцилиндра; Р , Р2 - давление в полостях цилиндра; Q3 - расход жидкости; К3 - удельная проводимость окна золотникового распределителя; X - перемещение золотника; Рп, Рсл - давление в нагнетающих и сливной магистралях соответственно.
В результате ряда несложных математических преобразований система (1) приводится к виду
^ (X, - Xz (0)) + ^ (X3 - Xз(0))
ил, ил.,
КзЦ-^. (4)
(2) где
dXz
их 3 их
ик3 = К^ = ± IРП - Рсл - Х381ВПХ,
2
' = Кдр =
Т2 X2
(5)
.3 V 8(РП - РСЛ - Х)
где Х2 (0), X3 (0), X3 (0) -значения соответствующих переменных в точке линеаризации.
В более наглядной форме уравнение (4) представляется
х = -ах2 - уХз+рх2 + (х з (0) - рх2 (0)+уХз (0)), где у = Хз^ХеР, Р = Кз\хКвх2.
Масло
насосная
станция
А0312
210 атм
Аккумуляторы
Резервуар. Масло АМГ-10
а 1 Канал
нагружения
Задатчик
Автоматич еская защита (компьютер)
|_
Кнопка аварийного отключения в испытательном зале
Система
управления
Система
отображения
информации
Рис. 4. Структурная схема стенда статистических испытаний
Линеаризованная модель гидроцилиндра характеризуется передаточной функцией
М _ Х(Р)
Wra (p) = ■
/ ч/ 2 — к, F г X (p)'
(p + Y)( p + p — + 77^77 £ z
м м м
(б)
Рис. 5. Схема испытаний системой сосредоточенных сил:
1 - объект испытаний; 2 - силовой пояс; 3 - тяга; 4 - силовое кольцо; 5 - тензодинамометр; 6 - силовозбудитель;
7 - грузовое кольцо; 8 - лямки; 9 - опорная плита;
10 - опора; 11 - имитатор жесткости смежного отсека;
12 - силовая стена
Причем входным сигналом для такой модели является X = рХ2 + (Хз (0) - рХ2 (0) + уХз (0)). (7)
Сигнал, полученный в результате аналитического расчета модели гидропривода, отличается по амплитуде от экспериментального не более чем на 8% при сохранении формы импульса. Это доказывает адекватность параметров разработанной модели гидропривода параметрам его реальной структуры.
Таким образом, разработаны структурные схемы СТИ и производственно-технологические алгоритмы СТИ КА, отсеков и силовых узлов с учетом реальных действующих нагрузок и расчетных случаев.
Проведено моделирование рабочего органа стенда статистических испытаний.
Рис. 6. Схема нагружения знакопеременным давлением:
1 - объект испытаний; 2 - рычажная система; 3 - колонна; 4 - плита; 5 - вакуумметр
N. A. Testoedov
FEATURES OF STATIC TESTS OF SPACE VEHICLES
Features of space vehicles, operating loadings and settlement cases, purposes of static tests, compartments of static tests and force units on a design stage, space vehicles test in gathering are considered. Block diagrams of static tests are resulted.
