CC BY
46УДК 629.78.018.4.01
система отработки вибропрочности: Опыт применения и перспективы развития
© 2016 г. Софинский А.Н.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
В статье изложены основные принципы отечественной системы обеспечения вибропрочности изделий ракетно-космической техники. Система сложилась в общем русле развития ракетной техники во второй половине XX века. Работа в рамках системы предусматривает выполнение двух взаимосвязанных частей: расчетно-теоретической и экспериментальной. Следование принципам системы гарантирует надежность сопротивления конструкций вибрационным и другим динамическим воздействиям. Освещена ключевая роль динамического моделирования в комплексе задач отработки вибропрочности: достоверная, верифицированная на изделии-прототипе динамическая конечно-элементная модель повышает качество и надежность конструкции и позволяет сократить объем ее экспериментальной отработки. На основе опыта осуществленных РКК «Энергия» проектов сформулированы практические рекомендации по моделированию и рациональным способам решения расчетных и экспериментальных задач. С учетом зарубежного опыта указаны перспективы развития системы. Сформирован и изложен комплекс проблемных мероприятий в масштабах ракетно-космической отрасли, реализация которых необходима для реформирования системы.
Ключевые слова: конструкция, вибропрочность, моделирование, расчеты, экспериментальная отработка.
viBRATION STRENGTH TEST SYSTEM:
operational experience and prospects for further development
Sofinskiy A.N.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
The paper discusses the principles of the Russian system for assuring the vibration strength of rocket and space hardware, which guarantees reliable resistance of the structures to vibration loads. It covers the role of dynamic simulations within the domain of vibration strength testing problems. Based on the experience of completed projects, it provides practical recommendations for solving these problems. Taking into account the experience of other countries, it outlines the prospects for further development of the system. There has been put together, and is set forward in the paper, a package of problem-solving measures, which need to be implemented to reform the system.
Key words: structure, vibration strength, simulation, computations, experimental development.
СОФИНСКИЙ Алексей Николаевич — кандидат технических наук, заместитель начальника отделения РКК «Энергия», e-mail: alexey.sofinskiy@rsce.ru
SOFINSKIY Alexey Nikolaevich — Candidate of Science (Engineering), Deputy Head of Division at RSC Energia, e-mail: alexey.sofinskiy@rsce.ru
софинский а.н.
Специфика процесса создания изделий ракетно-космической техники (РКТ) в значительной степени определяется требованиями, проистекающими из невозможности ремонта летательного аппарата (ЛА) при его эксплуатации. Исключением отчасти являются пилотируемые орбитальные комплексы, где ремонт хотя и возможен в отдельных случаях, но весьма проблематичен. Этим обстоятельством обусловлены исключительные требования к надежности изделия РКТ, ибо любая неисправность, любое несоответствие в функционировании вызывает необратимые последствия и может привести к потере дорогостоящего аппарата, а в случае пилотируемого объекта и к гибели экипажа. Можно с уверенностью утверждать, что прочность силовых конструкций ЛА является первой в ряду качеств, определяющих надежность изделия и гарантирующих безопасность его эксплуатации.
Система обеспечения прочности
Обеспечение прочности конструкций, как системный процесс, складывалось во второй половине XX века в общем русле развития ракетной, а затем и космической техники. Во главе этого процесса стоял Центр прочности головного отраслевого института (ЦНИИмаш) под руководством профессора Кармишина А.В. (1912-2013 гг.). Представление о системном подходе к проблеме обеспечения прочности конструкций РКТ можно получить из работ [1-3]. Специалисты Центра прочности ЦНИИмаш, помимо собственных исследований, имели возможность обобщать результаты работ ведущих конструкторских бюро, получая свежую и достоверную информацию из эскизных проектов разрабатываемых изделий, поступавших в головной институт на экспертизу. В Центре прочности ЦНИИмаш была создана лучшая, хорошо оснащенная экспериментальная база для отработки прочности конструкций РКТ, через которую проходила значительная часть создаваемых в отрасли изделий [4]. Практиковалось распространение передового опыта расчетных и экспериментальных работ через отраслевой координационный совет по прочности. Складывавшаяся на протяжении десятилетий система отработки прочности закреплена многочисленными нормативными документами различного уровня: от норм прочности на отдельное изделие до государственных стандартов. Следует отметить, что многие из этих документов представляются
сегодня архаичными, имеют место противоречия в различных документах, а также неопределенности в трактовке некоторых, в т. ч. важных, положений. Вместе с тем, система существует, действует, и ее бесспорно положительным результатом является тот факт, что история отечественной РКТ не знает случая потери аппарата при летных испытаниях или эксплуатации из-за недостаточной прочности его конструкций. Комплексный процесс предусматривает проведение полного расчетно-теоретического цикла, включающего определение нагрузок, напряженно-деформированного состояния (НДС), несущей способности, а все недостатки, ошибки конструирования, расчетов, изготовления выявляются на стадии наземной экспериментальной отработки. С другой стороны, нет ответа на вопрос, не являются ли требования, заложенные в систему, избыточными, и если являются, то насколько. Первостепенная важность этого вопроса обусловлена спецификой ЛА: избыточная прочность неизбежно влечет за собой увеличение массы конструкций, а масса является одним из главных критериев совершенства ЛА.
Общий процесс обеспечения прочности можно разделить на следующие составные части:
• определение нагрузок и назначение коэффициентов безопасности;
• расчет НДС;
• расчет несущей способности или предельного состояния конструкции, соответствующих условиям эксплуатации и рассчитанному НДС;
• определение расчетных запасов прочности;
• экспериментальная отработка и подтверждение запасов прочности.
Вибропрочность
Разнообразие нагрузок, действующих на ЛА, в совокупности с другими факторами, формирующими условия эксплуатации, главным из которых является температура (ее изменение во времени и распределение), а также специфические особенности конструкций и материалов, из которых они изготовлены, порождают множество задач, различных в постановке и методах решения. При всем их многообразии можно выделить два основных вида: задачи статической прочности и задачи вибропрочности. Причем задачи статической прочности характерны прежде всего для корпусов ЛА,
представляющих собой либо оболочечные, либо ферменно-рамные конструкции. Задачи вибропрочности ставятся и решаются в основном для так называемой вторичной конструкции, т. е. закрепленного на корпусе навесного оборудования (НО), представляющего собой совокупность компонентов служебных и целевых систем изделия. Это механизмы, электроприводы, замки, толкатели, приборы, агрегаты, антенны, передатчики, ретрансляторы, источники питания, маршевые и управляющие двигатели, топливные баки, баллоны, ресиверы, клапаны, редукторы, щитки, колодки, гермо-платы, трубопроводы, кабели и т. п. Таким образом, объектом рассмотрения в задачах вибропрочности является собственно НО, его крепежные элементы (в определенных случаях — амортизаторы), промежуточные между корпусом и НО элементы конструкции (кронштейны, фланцы, фитинги), крепежные детали их соединения с корпусом и локально корпус.
Принципиальная разница задач прочности при статическом и вибрационном воздействии нагрузок заключается в том, что статическим нагрузкам конструкция сопротивляется (отсюда классическая техническая дисциплина «сопротивление материалов»), а с вибрационными «сотрудничает». Форма «сотрудничества» — резонанс, область «сотрудничества» — собственные частоты. Первой задачей динамического анализа конструкции является выявление этих областей и определение интенсивности «сотрудничества» в них.
Трудности в постановке и решении задач вибропрочности конструкций связаны со сложной реакцией, откликом конструкции изделия на вибрационное воздействие. Обилие и многообразие НО со своими парциальными частотами формируют плотный спектр собственных частот изделия с различной энергоемкостью тонов колебания, что в совокупности с плотным спектром частот вибрационных воздействий [5] порождает множество очагов резонансных явлений. Специфика примененных материалов и конструктивных решений определяет дис-сипативные качества конструкции и уровень коэффициентов усиления на резонансных частотах. Резонансные процессы подлежат оценке уже при проектировании изделия, требуют достоверного расчета на этапе выпуска рабочей конструкторской документации и подлежат уточнению с подтверждением динамических характеристик и прочности на стадии экспериментальной отработки.
Составные части действующей системы обеспечения прочности применительно к задачам вибропрочностного нагружения можно сформулировать следующим образом:
• задание нормативных значений нагрузок на первичной конструкции — корпусе;
• расчет уровня нагружения, НДС, прочности вторичной конструкции и локальной прочности корпуса;
• экспериментальная проверка и подтверждение прочности изделия при зачетных вибропрочностных испытаниях.
Нагрузки задаются в функции частоты в виде амплитудных значений ускорений гармонических колебаний или спектральной плотности случайной вибрации. Расчетная часть предполагает модальный анализ для определения собственных частот; гармонический анализ для определения коэффициентов усиления при уровне добротности, зависящем от материала и вида конструкции; анализ напряженно-деформированного состояния; определение предельного состояния и запасов прочности. Вибропрочностные испытания проводятся на вибростенде с воспроизведением гармонической или случайной вибрации. Испытания на высокочастотную часть спектра нагружения осуществляются в акустической камере, если позволяют условия (главным образом, габариты объекта испытаний). Объектом испытаний является специальное экспериментальное изделие (макет), изготовленное по той же конструкторской, нормативной, технологической документации и на том же производстве, что и штатные (летные) изделия.
Динамическая модель конструкции
Бурное развитие в последние десятилетия вычислительной техники и ориентированных на ее возможности программных продуктов сделало реальным решение практически любой задачи математической физики, связанной с интегрированием системы дифференциальных уравнений с начальными или краевыми граничными условиями. Метод конечных элементов вытеснил практически все и аналитические, и численные методы в решении задач механики сплошной среды. Разрабатываемая для решения задач вибропрочности динамическая модель конструкции практически всегда представляет собой конечно-элементную модель (КЭМ) с матрицами жесткости, масс и демпфирования. Из универсальных программных комплексов, построенных на методе конечных элементов, наибольшее распространение как
в нашей стране, так и за рубежом получили NASTRAN [6] и ANSYS [7]. Благодаря возможностям этих комплексов, динамическая КЭМ изделия играет ключевую роль в процессе обеспечения вибропрочности изделия на всех его стадиях. Принципы построения КЭМ космического летательного аппарата (КЛА), параметры модели, описание наиболее применяемых для ее формирования элементов изложены в статье [8]. В этой же статье показано использование модели при разработке и расчете конструкции, при подготовке и проведении экспериментальной отработки, указаны способы настройки модели по результатам измерений при испытаниях, приведены данные о реально достигнутой точности параметров откорректированных моделей для конкретных ЛА, рассмотренных в качестве примера. В статье [9] показан полный цикл решения вышеперечисленных задач обеспечения вибропрочности для автоматического космического аппарата (АКА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) разработки РКК «Энергия», а в статье [10] — то же для созданного РКК «Энергия» модуля Российского сегмента орбитальной Международной космической станции (РС МКС). В этих статьях проиллюстрированы как общность принципов, подходов и методов решения комплекса задач вибропрочности, так и их особенности, обусловленные характерными чертами конструкции составных частей ЛА различного целевого назначения, а также спецификой применяемых конструкционных материалов.
Опыт решения расчетных задач
Опыт разработки КЛА, включая ее составную часть — обеспечение вибропрочности их конструкций в рамках действующей системы, позволяет сделать выводы и рекомендации, представляющие интерес для практикующего инженера. Особенно полезен опыт создания двух упомянутых выше ЛА, различных по своим целевому назначению и конструкции. В работах с этими ЛА нами было реализовано полноценное динамическое моделирование: разработка КЭМ, динамический анализ конструкции, моделирование процесса испытаний, настройка модели по результатам испытаний. КЭМ АКА ДЗЗ показана на рис. 1. Реализация блочного принципа построения модели АКА приведена на рис. 2. На рис. 3 показана КЭМ узлового модуля (УМ) Российского сегмента орбитальной Международной космической станции.
Рис. 1. Конечно-элементная модель автоматического космического аппарата: 1 — панели солнечных батарей; 2 — приборная панель; 3 — нижняя торцевая панель; 4 — корпусная панель
Рис. 2. Конечно-элементная модель составньх частей автоматического космического аппарата: 1 — корпусные панели; 2 — приборные панели; 3 — нижняя торцевая панель; 4 — верхняя торцевая панель с блендой; 5 — солнечные батареи; 6 — оптико-электронный модуль; 7 — панель высокоскоростной радиолокации; 8 — штанга электромагнитного исполнительного органа
Проведенные работы и особенно моделирование процесса испытаний, анализ результатов эксперимента, настройка модели позволили выявить конкретные сложности, наиболее уязвимые места процесса и сделать следующие выводы и рекомендации:
1. Динамическая КЭМ изделия стоит в центре системного процесса обеспечения вибропрочности его конструкций, являясь главным инструментом решения задач как расчетно-теоретической, так и экспериментальной части.
2. Программные комплексы типа NASTRAN и ANSYS в целом позволяют решить все составляющие задачи этого процесса.
3. КЭМ конструкции среднего по размерам КЛА (массой 3...5 т) содержит в себе несколько сотен тысяч конечных элементов и расчетных узлов.
4. Машинное время решения задач модального и гармонического анализа моделей такой размерности для современного
многоядерного персонального компьютера составляет несколько минут.
5. Применение для формирования модели трехмерных элементов, приводящих к существенному увеличению размерности матриц, должно быть минимальным и специально обоснованным.
6. Модель разрабатывается в итерационном процессе параллельно с разработкой конструкции.
7. Модель строится по блочному принципу, предусматривающему возможность ее изменений и модификаций, необходимость которых связана как с изменениями конструкции, так и с настройкой модели по результатам испытаний.
8. Наибольшие трудности вызывает моделирование стыков отсеков, соединений силовых элементов конструкции между собой, элементов крепления НО к корпусу, деталей корпуса в зоне крепления НО.
9. Для анализа НДС с высоким показателем изменяемости необходима разработка локальных моделей с достаточно мелким разбиением.
10. Параметры демпфирования играют определяющую роль в формировании амплитудных значений резонансных явлений.
11. Для введения в модель матрицы демпфирования необходимы диссипативные характеристики материалов и конструкций, которые могут быть взяты либо из базы данных по изделиям-прототипам, либо определены предварительными экспериментами.
12. В связи с важной ролью демпфирования для уровня нагружения элементов конструкции при резонансах, задачи изучения и определения диссипативных свойств материалов и типовых конструкций имеют самостоятельное значение.
13. На начальных стадиях разработки конструкции определение НДС в затратных динамических расчетах не имеет смысла из-за низкого уровня достоверности модели и неопределенности всех ее параметров.
14. Полная модель, адекватно отражающая динамические характеристики изделия, формируется к моменту завершения выпуска рабочей конструкторской документации.
15. Критерием предельного состояния конструкции при вибрационном нагружении, как правило, является усталость.
16. Задачи определения несущей способности или предельного состояния конструкции при динамическом нагружении имеют самостоятельное значение и могут быть выделены в специальный раздел с классификацией в зависимости от вида и параметров
нагружения и специфических особенностей конструкционных материалов.
17. Прочность при вибрационном нагру-жении является главным фактором формирования облика вторичной конструкции изделия и оказывает определенное влияние на первичную конструкцию — корпус.
Рис. 3. Конечно-элементная модель узлового модуля (модели стыковочньх узлов и микрометеороидная защита не показаны): 1 — шпангоут; 2 — имитатор стыковочного узла; 3 — блок клапанов; 4 — модель антенны; 5 — магистрали трубопроводов
Сложное влияние на параметры демпфирования свойств материала, специфики конструкции, характеристик колебательного процесса является предметом многочисленных самостоятельных исследований. Принципы и способы теоретического и экспериментального решения таких задач, представляющие практический интерес, изложены в монографии киевского Института проблем прочности [11]. В этой же монографии содержатся исследования прочности и разрушений с учетом особенностей динамического нагружения.
Особенности экспериментальной отработки
Следующей составной частью комплексного процесса обеспечения вибропрочности является экспериментальная отработка. Здесь весьма важно еще раз отметить, что испытания в рамках действующей системы проводятся на специальном экспериментальном изделии (макете), в идеале повторяющем летный образец за исключением габаритно-массового исполнения компонентов систем, функционирование которых в составе макета не требуется. В реальной жизни, диктующей свои условия (сжатые сроки, недостаток финансирования),
макет практически всегда дополнительно отличается от штатного изделия по двум позициям: неполная комплектация и несоответствие жест-костных, а зачастую и инерционных характеристик габаритно-массовых макетов, штатному НО. Кроме того, закрепление макета на стенде не всегда соответствует летной конфигурации изделия, часто имеет место недостаточная жесткость испытательной оснастки, что также оказывает влияние на динамические характеристики установленного на стенде объекта. Несмотря на отмеченные недостатки, вибропрочностные испытания являются весьма эффективным средством выявления ошибок и дефектов самого различного уровня, характера и происхождения: расчетных, конструкторских, технологических ошибок, дефектов структуры материала, включая основной источник неприятностей — сварные швы. Различие в частотных характеристиках с штатным изделием не столь важно, поскольку при испытаниях воспроизводится весь спектр воздействий во всем частотном диапазоне при любом способе задания нагрузок: гармонические колебания, случайная вибрация или акустическое воздействие. Уровень нагру-жения при испытаниях, как правило, расчетный. Коэффициент безопасности, как и во всей действующей системе обеспечения прочности, компенсирует элементы незнания, неопределенности, разброс характеристик, неточность воспроизведения условий эксплуатации, отличие объекта испытаний от штатного изделия.
Конкретные различия в конструкции макета для вибропрочностных испытаний и штатного изделия вызывают необходимость разработки КЭМ макета. Кроме того, должна быть разработана КЭМ оснастки, и на общей модели «макет + оснастка» воспроизведены процессы нагружения при испытаниях с прогнозированием отклика конструкций. Модальный и гармонический анализы дают значения резонансных частот и ускорений в точках установки измерительно-регистрирующих датчиков, а также коэффициентов усилений в этих точках по отношению к датчикам задающим. Полученные расчетным путем значения собственных частот и коэффициентов усиления сравниваются с результатами измерений при испытаниях. Для их сближения проводится настройка модели по частотам и коэффициентам усиления. Этот процесс осуществляется путем вариаций жесткостных характеристик конструкции и диссипативных характеристик материалов и конструкции. Сложность настройки модели обусловлена комплексным и взаимосвязанным влиянием характеристик материалов и конструкции на выходные параметры модели, что делает весьма
затруднительным формулировку общих рекомендаций. Примеры конкретного решения задачи настройки модели по результатам испытаний описаны в работах [9, 10]. Откорректированные параметры модели макета необходимо перенести на штатное изделие с учетом конструкционных различий изделий.
Необходимо отметить, что известные критерии модальной (МАС, СОМАС) и частотной (FRAC, RVAC, FDAC) достоверностей [12] затруднительно применить для оценки соответствия расчетных и экспериментальных данных по двум причинам. Во-первых, собственные формы колебаний в задачах вибропрочности рассматриваемых объектов практически не используются. Во-вторых, и это главное, результатов измерений из-за ограничений на количество датчиков недостаточно для полноценного воспроизведения экспериментальных динамических характеристик.
Собственные частоты и коэффициенты усиления выбраны в качестве главных параметров, по которым проводится экспериментальная настройка и корректировка модели, в связи с тем, что они определяют фактический максимальный уровень нагружения вторичных конструкций изделия при начальном вибрационном воздействии, а также формируют блоки нагружения НО. Собственная частота показывает область резонансной реакции конструкции на вибрационное воздействие, а также, косвенно, количество циклов нагружения на этой частоте. Коэффициент усиления на резонансной частоте фиксирует амплитудное значение перегрузки на вторичной конструкции при заданном уровне вибрационного воздействия. Рис. 4-6 иллюстрируют результаты корректировки модели УМ по экспериментальным данным, замеренным датчиком, установленным на механизме раскрытия антенны [10].
На рис. 4 показаны графики изменения коэффициентов усиления (К) по трем координатным осям в зависимости от частоты (Fr), полученные расчетным путем по начальной модели.
На рис. 5 приведены графики, построенные по показаниям датчика.
Рис. 6 изображает графики расчетных значений коэффициентов усиления, полученные по уточненной модели.
Отличия расчетных значений от экспериментальных в пределах 10% по частотам низших тонов и в пределах 20% по коэффициентам усиления на этих частотах представляются удовлетворительными, адекватными точности проведения расчетов и постановки экспериментов.
Рис. 4. Коэффициенты усиления виброускорений по начальной модели: — — Кх; — — Ку; — — К
Рис. 5. Экспериментальные коэффициенты усиления виброускорений: ™ — Кх; ™ — Ку; — — К
Рис. 6. Коэффициенты усиления виброускорений по уточненной модели: — — Кх; — — Ку; — — К
Скорректированная, экспериментально подтвержденная, достоверная в определенных рамках динамическая модель сопровождает изделие на всем его жизненном цикле, что особенно важно для ЛА, функционирующих длительное время, например, АКА связи или ДЗЗ, модулей космических станций, а также
для ЛА многократного применения. Используемая для мониторинга ресурса модель становится незаменимым инструментом в экстренных случаях, особенно при возникновении нештатных ситуаций. Модель весьма полезна при модернизации, изменениях состава и конструкции серийных изделий, а также при разработке новых изделий того же класса.
Недостатки системы
Из описания системы обеспечения вибропрочности изделий РКТ, надежно гарантирующей сопротивление конструкций вибрационным воздействиям, вырисовывается ее главный недостаток — затраты на создание дорогостоящего специального экспериментального изделия (вибропрочностного макета). Процедура создания вибропрочностного макета включает в себя разработку технического задания, выпуск специального комплекта конструкторской документации, изготовление комплектующих, включая габаритно-массовые макеты НО, сборку изделия, разработку динамической КЭМ. Вторым существенным недостатком действующей системы являются отличия в конструкции и составе макета по отношению к штатному изделию. Из этих различий вытекает необходимость параллельного проведения гармонического и модального анализов для макета и штатного изделия, установление соответствия между изделиями и перенесение результатов с модели экспериментального изделия на модель штатного.
Направление развития
Трудно подвергать сомнению необходимость специального экспериментального изделия для вибропрочностных испытаний при разработке принципиально нового КЛА, особенно если планируется его серийное производство. В случае же единичного экземпляра летного изделия или несущественных изменений конструкции или состава отработанного ранее серийного КЛА, затраты на создание вибропрочностного макета представляются неадекватными ожидаемым результатам. Естественным развитием отечественной системы выглядит в этих условиях перенос экспериментальной отработки на летное изделие (ртаЬа/^Ы). Эту назревшую реформу нельзя назвать новаторской, поскольку подобная схема реализована во многих странах, имеющих свою ракетно-космическую отрасль. Преимущества ее очевидны:
• экономия средств на изготовление экспериментального изделия;
• объект испытаний точно соответствует летной конфигурации изделия;
• вибрационные воздействия на объект испытаний соответствуют определенным в совместном расчете в составе интегрированной динамической модели ракеты космического назначения (РКН);
• приложение нагрузок соответствует условиям эксплуатации объекта в составе РКН.
Необходимые мероприятия
Практическая реализация такой, казалось бы, естественной схемы экспериментальной отработки сопряжена с определенными трудностями, мероприятия для преодоления которых можно разделить на три группы:
• нормативно-методические;
• производственно-технологические;
• лабораторно-испытательные.
В первой группе мероприятий центральное место занимает необходимость разработки нормативного документа, содержащего методические основы и устанавливающего требования по следующим важнейшим пунктам процесса:
• уровень нагружения, достаточный для подтверждения вибропрочности;
• допустимый уровень нагружения КЛА при испытаниях, учитывая, что нагружению при испытаниях подвергаются компоненты его служебных и целевых систем, после чего системы должны сохранять работоспособность, а КЛА — быть пригоден к запуску;
• полнота и достоверность динамической КЭМ РКН и ее составляющих для расчета нагрузок;
• полнота, подробность, достоверность динамической КЭМ объекта испытаний;
• необходимый объем измерений при испытаниях;
• испытательные режимы нагружения, включая допустимые вырезки по частотным диапазонам и амплитудам (notching);
• обработка результатов измерений, отчетная документация, заключение.
Требования нормативного документа должны быть обязательны к выполнению для разработчиков КЛА. Они должны учитываться при создании приборов и других компонентов систем, входящих в КЛА. Полная их реализация обязательна при адаптации средств выведения к конкретному КЛА.
По второй группе мероприятий необходимо включение в схему деления изделия бортовой системы измерений для наземных испытаний.
Система должна содержать, исходя из зарубежного опыта, около двух сотен датчиков ускорений с кабелями, имеющими интерфейсы, сопрягаемые с измерительным комплексом испытательной лаборатории. Измерительная система должна быть смонтирована при изготовлении КЛА с установкой датчиков на основе динамического анализа конструкции, а после завершения испытаний по возможности демонтирована. Естественно, что испытания должны быть включены в производственный цикл изготовления первого летного образца КЛА.
По третьей группе главными являются мероприятия по режиму и условиям работ с летным изделием в испытательной лаборатории, причем основным дополнительным требованием является высокий уровень чистоты помещения лаборатории.
Указанные мероприятия, затрагивающие все стадии создания летательного аппарата, должны осуществляться комплексно, ибо только в этом случае возможно столь радикальное изменение в подходе к экспериментальной отработке вибропрочности. В то же время, из всего многообразия КЛА начинать представляется целесообразным с АКА, как наиболее простых объектов с точки зрения задач прочности и обладающих наибольшей степенью преемственности конструкторских решений от проекта к проекту.
Быводы
1. Обеспечение прочности конструкций РКТ — системный процесс, определенный нормативными документами, разработанными во второй половине ХХ столетия в едином русле с развитием РКТ. Система гарантирует в отношении прочности конструкций надежное выполнение изделием его целевого назначения, что подтверждено многочисленными осуществленными проектами.
2. Система предусматривает комплексный подход, состоящий из расчетных и экспериментальных работ.
3. Зачетные вибропрочностные испытания проводятся на специальном экспериментальном изделии (макете), изготовленном на том же производстве по той же конструкторской, технологической и нормативной документации. Вибропрочностной макет представляет собой, как правило, полноразмерное изделие, укомплектованное габаритно-массовыми макетами компонентов служебных и целевых систем.
4. Макет достаточно сложен в изготовлении, затратен по трудоемкости и имеет высокую
стоимость, соизмеримую со стоимостью штатного изделия. Практически всегда макет имеет отличия от штатного изделия по конструкции и комплектации, что усложняет анализ экспериментальных данных и распространение их на штатное изделие.
5. Интеграция информационных технологий в процесс создания изделий позволяет сократить объем экспериментальной отработки и перенести экспериментальную отработку вибропрочности на штатное изделие. Зарубежный опыт свидетельствует о возможности такого подхода к экспериментальной отработке для изделий, имеющих сходные по конструкции прототипы.
6. Назревшая реформа отечественной системы обеспечения вибропрочности изделий РКТ требует реализации комплекса мероприятий нормативно-методического, производственно-технологического и лабораторно-испытательного характера, затрагивающих все стадии создания изделия. Основные необходимые мероприятия:
• разработка и внедрение нормативных документов;
• введение в состав изделия бортовой системы наземных измерений;
• создание в испытательной лаборатории условий для работы с летным изделием.
7. Реализация мероприятий позволит сократить стоимость экспериментальной отработки летного изделия, повысить ее качество и достоверность результатов.
Список литературы
1. Кармишин А.В., Лиходед А.И., Панич-кин Н.Г., Сухинин С.Н. Основы отработки прочности ракетно-космических конструкций // М.: Машиностроение, 2007. 480 с.
2. Методы отработки ракетно-космических комплексов / Под ред. Грибанова В.Ф. М.: Машиностроение, 1995. 352 с.
3. Кармишин А.В., Лиходед А.И., Сухинин С.Н. Основные вопросы отработки прочности ракетных конструкций // Космонавтика и ракетостроение. 1995. № 4. С. 6-22.
4. ЦНИИмаш. Центр исследований прочности. История развития / Под ред. Панички-на Н.Г., Войцеховского А.И., Могильного Б.В. Королёв: ЦНИИмаш, 2001. 342 с.
5. Гладкий В.Ф. Динамика конструкции летательного аппарата. М.: Наука. Физматлит, 1969. 496 с.
6. Lahery R.S., Miller M.R., Reymond M.A. MSC NASTRAN Reference Manual, Version 68. The MacNeal-Schrvendler Corporation, Los Angeles, California, 1994.
7. Theory Reference for the Mechanical ADPL and Mechanical Applications. ANSYS Release 14.0, SAS IP, Inc. 2011.
8. Безмозгий И.М., Софинский А.Н., Чер-нягин А.Г. Моделирование в задачах вибропрочности конструкций ракетно-космической техники // Космическая техника и технологии. 2014. № 3(6). С. 71-80.
9. Безмозгий И.М., Казакова О.И., Софинский А.Н., Чернягин А.Г. Отработка вибропрочности автоматического космического аппарата дистанционного зондирования Земли // Космическая техника и технологии. 2014. № 4(7). С. 31-41.
10. Безмозгий И.М., Софинский А.Н., Черня-гин А.Г. Отработка вибропрочности узлового модуля Российского сегмента Международной космической станции // Космическая техника и технологии. 2015. № 3(10). С. 15-25.
11. Прочность материалов и конструкций / Под ред. Трощенко В.Т. Киев: Академперио-дика, 2005. 1086 с.
12. Хейлен В., Ламменс С., Сас П. Модальный анализ: теория и испытания. М.: ООО «Новатест», 2010. 319 с.
Статья поступила в редакцию 26.02.2015 г.
Reference
1. Karmishin A.V., Likhoded A.I., Panichkin N.G., Sukhinin S.N. Osnovy otrabotki prochnosti raketno-kosmicheskikh konstruktsii [The basics of developmental testing of rocket and space structures]. Moscow, Mashinostroenie publ., 2007. 480 p.
2. Metody otrabotki raketno-kosmicheskikh kompleksov [Methods of developmental testing rocket and space complexes]. Ed. Gribanov V.F. Moscow, Mashinostroenie publ., 1995.352 p.
3. Karmishin A.V., Likhoded A.I., Sukhinin S.N. Osnovnye voprosy otrabotki prochnosti raketnykh konstruktsii [Basic issues of developmental testing of rocket structures]. Kosmonavtika i raketostroenie, 1995, no. 4, pp. 6-22.
4. TsNIImash. Tsentr issledovanii prochnosti. Istoriya razvitiya [TsNIImash. The center for strength studies. History of development]. Eds. Panichkin N.G., Voitsekhovskii A.I., Mogil'nyi B.V. Korolev, TsNIImash publ, 2001.342p.
5. Gladkii V.F. Dinamika konstruktsii letatel'nogo apparata [Dynamics of a flying vehicle structure], Moscow, Nauka. Fizmatlitpubl., 1969. 496p.
6. Lahery R.S., Miller M.R., Reymond M.A. MSC NASTRAN Reference Manual, Version 68. The MacNeal-Schrvendler Corporation, Los Angeles, California, 1994.
7. Theory reference for the mechanical ADPL and mechanical applications. ANSYS Release 14.0, SAS IP, Inc. 2011.
8. Bezmozgii I.M., Sofinskii A.N., Chernyagin A.G. Modelirovanie v zadachakh vibroprochnosti konstruktsii raketno-kosmicheskoi tekhniki [The simulation in problems of vibration strength of rocket and space hardware], Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014, no. 3(6),pp. 71-80.
9. Bezmozgii I.M., Kazakova O.I., Sofinskii A.N., Chernyagin A.G. Otrabotka vibroprochnosti avtomaticheskogo kosmicheskogo apparata distantsionnogo zondirovaniya Zemli [Perfecting vibration strength properties of an unmanned Earth remote sensing spacecraft], Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014, no. 4(7), pp. 31-41.
10. Bezmozgii I.M., Sofinskii A.N., Chernyagin A.G. Otrabotka vibroprochnosti uzlovogo modulya Rossiiskogo segmenta Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii [Vibration strength design for the node module of the Russian Segment of the International Space Station], Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 3(10), pp. 15-25.
11. Prochnost' materialov i konstruktsii [Strength of materials and structures], Ed. Troshchenko V.T. Kiev, Akademperiodika publ., 2005. 1086 p.
12. Kheilen V., Lammens S., Sas P. Modal'nyi analiz: teoriya i ispytaniya [Modal analysis: theory and testing], Moscow, OOO «Novatest»publ., 2010.319p.
