Структурные испытания обтекателя ракеты воздействием синусоидальной вибрацией

В Авиационно-космическом институте (IAE) при DCTA такие динамические испытания конструкций, как испытание синусоидальной вибрацией, SRS и модальный анализ, осуществляются в рамках стандартных процедур в отношении разных компонентов пусковой системы ракет. В данном случае испытаниям с использованием вибростенда и синусоидальной вибрации подвергался обтекатель ракеты.

Программа DewesoftX проводит расчёты в специальном пользовательском интерфейсе для работы с синусоидальными сигналами в реальном времени, что уменьшает временные затраты и повышает качество получаемых данных.

Бразильский департамент науки и аэрокосмических технологий (Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA)) расположен в Сан-Жосе-дус-Кампус — крупнейшем аэрокосмическом комплексе во всей Латинской Америке.

DCTA выполняет функции национального военного исследовательского центра по воздухоплаванию и космоплаванью и подчиняется Военно-воздушным силам Бразилии, а также координирует всю техническую и научную деятельность, связанную с аэрокосмическим сектором, в том числе в интересах Министерства обороны страны.

спытания были проведены в Авиационно-космическом институте Instituto de Aeronaútica e Espaço (IAE)). Этот институт разрабатывает и реализует проекты в авиационном, аэрокосмическом и оборонном секторах, а также несет совместную ответственность за реализацию Бразильской космической программы.

Задача

Обтекатель, задействованный в этих структурных испытаниях, играет важную роль в научно-исследовательской деятельности, проводимой для TEXUS — проекта по созданию метеорологической или исследовательской ракеты для реализации программ по исследованию невесомости Европейского космического агентства (ESA) и Германского центра авиации и космонавтики (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)).

Роль IAE в проекте TEXUS главным образом сосредоточена на разработке пусковых систем, предназначенных для исследования свойств и поведения материалов, химических веществ и биологических субстанций в условиях невесомости (микрогравитации). При каждом запуске микрогравитация действует около шести минут.

В данном случае IAE требовалось измерить резонансные частоты обтекателя ракеты во избежание работы в таких частотах, что могло бы привести к нарушению целостности конструкции и невыполнению поставленной задачи.

Институту была необходима надежная система для сбора данных, способная отслеживать и рассчитывать определенные диапазоны откликов и функций переноса в реальном времени.

Проведение испытаний воздействием синусоидальных сигналов со сжатием данных

Воздействие синусоидальной вибрацией — это метод проведения структурных испытаний крупных конструкций. Такой подход широко используется для аттестации проектов в аэрокосмической отрасли. Как правило, это испытание требует нескольких сотен входных каналов.

У разработчиков нет права на ошибку, и все конструкции, применяемые в рамках программы, должны пройти тщательные испытания для обеспечения их надлежащей работы и полной структурной целостности.

Оценка таких крупных конструкций производится посредством их возбуждения отдельными частотами на вибрационном стенде. Виброиспытания воздействием синусоидальных сигналов проводятся на частотах в порядке возрастания и в порядке убывания. Они применяются для определения резонансов в диапазоне путем сравнения резонансных вибраций изделия с вибрациями стенда.

Испытания воздействием синусоидальной вибрации позволяют получить следующие данные:

• резонансные частоты конструкции, 

• амплитуды, 

• фазы, 

• коэффициент гармонического искажения отклика, 

• функции переноса между точками возбуждения и отклика.

Для оценки конструкции в рамках испытаний с использованием частот важно извлечь точные параметры из синусоидального сигнала.

При испытаниях синусоидальной вибрацией применяется COLA-сигнал (Constant Output Level Adaptor) для расчёта мгновенной частоты и получения значений амплитуды и фазы с акселерометра на этой частоте. Выходной канал COLA-сигнала синхронизирует систему управления вибростендом с системой сбора данных.

В IAE/DCTA для сбора данных использовалась программа Dewesoft (с плагином для обработки синусоидальных сигналов) и система сбора данных SIRIUS.

Испытания воздействием синусоидальной вибрацией осуществляется путем синхронизации системы сбора данных Dewesoft с контроллером вибростенда (сторонний производитель). Инструмент для обработки синусоидальных сигналов Dewesoft использует один из двух методов для обнаружения частот:

• пересечение нуля или 

• преобразование Гильберта.

Сигналы, полученные с размещённых на обтекателе акселерометров, измеряются совместно с частотой качания, которая обнаруживается с помощью COLA-сигнала. Затем происходит их расчёт в реальном времени, обеспечивающий подробные сведения об отклике конструкции на возбуждение.

Подготовка к испытаниям и измерениям

Для обеспечения актуальных результатов было важно осуществить испытание воздействием синусоидальной вибрации с частотой качания 25–1000 Гц. Этот диапазон является типичным частотным диапазоном вибрации, которой подвергается обтекатель ракеты во время транспортировки, запуска и полета.

Для сбора данных мы использовали систему с двумя модулями SIRIUSi-HD-16xACC. Система сбора данных обеспечила в общей сложности 32 выходных канала IEPE-акселерометров. Эта же система позволила IAE/DCTA выполнить другие измерительные задачи, а также стала простым решением для увеличения количества входных каналов. Такие дополнительные входные параметры, как IEPE, напряжение, температура, датчик напряжения и др., можно легко добавить при необходимости создания системы с большим количеством каналов.

Для демонстрации истинного потенциала решения Dewesoft по обработке синусоидальных сигналов мы также проводили 1/3-октавный анализ и истинное БПФ с разрешением 4096 строк (максимально возможное значение — 64 000 строк) одновременно с обработкой синусоидальных сигналов на 31 канале. Единственным исключением был входной канал, использовавшийся для передачи COLA-сигнала с контроллера вибрационного стенда.

Обработка синусоидальных сигналов проводится в программе сбора данных DewesoftX, что позволяет подключать и измерять другие полезные параметры, например задавать условия внешней среды при испытаниях или вести запись высокоскоростного видео для наблюдения за движением испытываемого устройства во время испытания.

8 трёхосевых акселерометров в конфигурации, необходимой для получения оптимальных результатов, были закреплены на обтекателе конструкции (внешние габариты: 874 мм x 1830 мм).

Для испытания мы использовали пять трёхосевых акселерометров Brüel & Kjaer и три акселерометра PCB. Семь акселерометров были размещены по форме конструкции, а один трёхосевой акселерометр PCB был размещён на переходном устройстве между обтекателем и вибростендом в качестве ориентира.

Один аналоговый вход на двух модулях SIRIUSi-HD-16xACC использовался для передачи COLA-сигнала напряжения для обнаружения частот качания, передаваемых с контроллера вибростенда на стенд для возбуждения конструкции.

Система сбора данных SIRIUS также включает две важные технологии, которые выводят измерения и сбор данных на новый уровень:

• DualCoreADC,

• гальваническая развязка.

DualCoreADC — высокодинамичный сбор данных

Для обработки сигналов усилители системы сбора данных SIRIUS используют 24-битные аналого-цифровые преобразователи. Система обеспечивает впечатляющий динамический диапазон 160 дБ при частотно-временном анализе с частотой выборки 200 кГц/канал.

Гальваническая развязка

Система также обеспечивает высокую развязку между каналами и между каналами и поверхностью. Это позволяет устранить нежелательные шумы, добиться максимального качества сигнала и избежать повреждений систем от чрезмерного напряжения и выравнивающего тока.

Испытываемое устройство возбуждалось в направлении движения стенда, а система координат располагалась таким образом, чтобы ось Y совпадала с осью возбуждения.

В IAE/DCTA уже применялась специальная система для испытаний: все расчёты функций передачи осуществлялись в режиме постобработки. Плагин для обработки синусоидальных сигналов от Dewesoft способен проводить расчёт функций переноса, фазы, СКЗ, пиковых значений и многих других параметров в реальном времени.

Результаты испытаний

Решение Dewesoft для обработки синусоидальных сигналов вкупе с мощной системой сбора данных SIRIUS позволяет осуществлять испытания крупных конструкций в реальном времени с неограниченным числом каналов.

Дополнительные расчёты, которые не проводятся в режиме реального времени для данного испытания, могут осуществляться при последующем анализе с использованием данных временной области, сохранённых при проведении измерений.

Инженер-тестировщик IAE, Домингос Страфаччи подвёл итоги:

Систему легко использовать и настраивать. Она сэкономит нам огромное количество времени при проведении важных испытаний конструкций.

При проведении этого измерения использовался только один узел. Использование нескольких узлов потребовало бы построения более крупной системы. Однако необходимо отметить, что рабочие характеристики системы будут оставаться прежними при любом количестве каналов.

Поскольку научно-исследовательская деятельность DCTA включает большое количество проектов, организация может получить огромное преимущество благодаря структурным испытаниям и гибкости системы Dewesoft, которую можно применять для выполнения таких задач, как получение данных о сопротивлении движению и GPS-отслеживание маршрута, модальный анализ крыльев самолета или SRS-измерения во время испытаний на отделение ступеней ракеты.

Глава отдела динамических испытаний IAE, д-р Эдилсон Камарго отметил:

Благодаря своей гибкости эта система позволит нам решать разнообразные измерительные задачи не только по обработке синусоидальных сигналов. Таким образом мы сможем оптимизировать наши расходы.

Дополнительные ресурсы