Анализ поведения КА при динамических воздействиях

При воздействии внешних и внутренних силовых факторов (давление в термоконтейнере) на КА реакция его конструкции зависит как от интенсивности и характера этих воздействий, так и от собственных компоновочных решений. В результате такого взаимодействия в сечениях конструкции возникают продольные и поперечные усилия и соответственно изгибающие и крутящие моменты как статического, так и динамического характера. Знание этих сил и моментов необходимо для проведения расчетного прочностного анализа конструкций и их экспериментальной отработки.

Для линейной упругой системы усилия в сечениях конструкции КА определяются методом перемещения и методом перегрузок (ускорений). Согласно методу перемещений общие силовые факторы определяются через деформацию, что достаточно эффективно при расчетах и измерениях стационарных процессов и их последующем воспроизведении на стендах статических испытаний.

Суть метода перегрузок состоит в раздельном вычислении статических и динамических усилий. В соответствии с этим статические значения силовых факторов определяются через внешние силы, исходя из условий динамического равновесия КА как твердого тела, а динамические — перегрузками, обусловленными упругими колебаниями конструкции. Общие усилия в поперечных сечениях конструкции КА определяются как суммы статических и динамических составляющих.

Анализ измерительной информации, полученной при натурных пусках, показывает, что для исследуемого класса КА основными нагрузками являются динамические, возникающие при различного рода переходных процессах с быстро меняющимися внешними воздействиями в совокупности с силами, обусловленными упругими свойствами конструкции. При этом фактические деформации конструкции и величины усилий в поперечных сечениях не будут соответствовать деформациям и усилиям, возникающим при статическом приложении равных нагрузок. Это различие возрастает с увеличением размеров КА, уменьшением относительной жесткости и характеризуется коэффициентом динамичности, который показывает, во сколько раз возрастает усилие в конструкции при динамическом нагружении в сравнении со случаем статического нагружения. Коэффициент динамичности также зависит от отношения частоты изменения возмущающей силы к частоте собственных колебаний конструкции. При соотношении частот возмущающей силы и свободных колебаний, равном или больше 10, коэффициент динамичности не превышает 1,03 и нагружение можно считать статическим. При очень малых периодах возмущающих воздействий процесс может рассматриваться как ударный, а реакция конструкции — как реакция последствия.

Наибольшее нагружение конструкции аппаратов испытывают при совпадении вынужденных и собственных частот и возникновении резонансных явлений.

Влияние добротности конструкции КА на его поведение особенно велико в динамических режимах старта и разделения ступеней PH. Это объясняется совпадением частоты диапазонов внешних воздействий и собственных частот колебаний конструкций PH и КА, что в условиях определенного разброса динамических характеристик конструкции КА приводит к разбросу в реакциях конструкции на внешние воздействия.

Оценка уровней и характера реакции элементов КА на натурные воздействия проводится путем анализа телеметрической информации, для получения которой на спутнике устанавливается система вибрационных измерений. Она включает в себя низкочастотные и высокочастотные датчики — в зависимости от измеряемых диапазонов частот. Ввиду ограниченности числа каналов телеметрии количество датчиков обычно не превышает 10. Они устанавливаются в характерных точках конструктивно-силовой схемы (на шпангоутах термоконтейнера) и на наиболее ответственных приборах (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема расстановки вибродатчиков на изделии "Луч-2"

Общее число приборов и узлов КА составляет несколько десятков, а необходимое количество точек контроля, включающее в себя все элементы крепления приборов и узлов в каждом из трех взаимно перпендикулярных направлениях, — до тысячи. Для оценки натурного динамического нагружения всех узлов и приборов проводятся стендовые испытания по определению динамических характеристик узлов КА, в результате которых находятся коэффициенты передач от мест крепления всех узлов и приборов к точкам, контролируемым в полете. Коэффициенты передач являются функциями частоты, характера нагружения и спектрального состава сигнала. Последнее важно с позиции методологии моделирования нагрузок, поэтому вопрос спектрального состава сигнала следует рассмотреть подробнее.

Как уже отмечено, в процессе выведения на орбиту КА испытывает одновременно воздействие различных внешних сил, например, при разделении ступеней на конструкцию дополнительно действуют вибрация от работы двигателей и агрегатов PH, акустический шум, сила тяжести, порывы ветра и т.п.

Наземная экспериментальная отработка проводится на определенные анализом расчетные случаи, причем в силу возможности одновременной имитации всех факторов последовательно. Последовательное приложение различных по характеру сил обусловлено в основном разностью возбуждаемых частотных диапазонов (от 5 до 30 Гц — переходные процессы; от 20 до 2000 Гц — вибрация; от 2000 до 8000 Гц — акустика) и соответственно различной реакцией узлов КА на виды возбуждений.

При нормировании перегрузок разделения ступеней PH учитывают два процесса: изменение тяги двигателей (см. рис. 1.6, 1.7) и упругие колебания конструкции (рис. 1.9). Последовательное воспроизведение указанных процессов при НЭО, например, статическими испытаниями и центрированным по перемещению относительно среднего положения вибростола переходным процессом, не создает нагружения, адекватного натурному. Это объясняется тем, что современный КА имеет 5—10 трансформируемых механических систем, развертывание которых обеспечивается системой зазоров в шарнирных соединениях и узлах зачековок. Динамические характеристики подобных систем существенно зависят от наличия или отсутствия постоянного ускорения от тяги ракетных двигателей.

Рис. 1.9. Динамическая составляющая перегрузки на КА "Радуга" при разделении первой и второй ступеней PH "Протон". а — космический комплекс; б — РБ; в — РБ + КА; г — КА

Из этого следует необходимость разработки способа испытаний и оборудования для воспроизведения комплексного статико-динамического воздействия при имитации переходных процессов, адекватных натурным.