中科一號甲固體運載火箭完成大噸位全尺寸水平支撐模態試驗

水平支撐怎麼練

中科宇航技術團隊獨創性的採用了多點空氣彈簧水平支撐的方式實現了固體運載火箭規模最大的水平狀態模態試驗。在試驗的方案設計階段，多點水平支撐總是設計師們分析討論的核心問題，支撐剛度、托架的附加質量、大噸位箭體水平停放的截面彎矩等會對結果帶來怎樣的影響，一直困擾著設計師們。近日，隨著為期數月的中科宇航全箭多點空氣彈簧水平支撐模態試驗順利完成全部工況的資料採集和分析工作，前期的疑惑和技術問題逐一消除。

▲ 中科宇航助推運載器全箭模態試驗現場

01模態試驗技術難點

運載火箭模態試驗有其特有的難度，且面臨大量的工程問題。這些問題絕大多數是由天地差異性帶來的。首先，運載火箭飛行過程中是沒有約束的，地面試驗無法實現真實模擬，只可以採用柔性的試驗支撐裝置安放試驗件，這樣就不可避免的引入附加剛度和質量；第二，火箭飛行過程中受力很大，巨大的軸力和彎矩可能造成對接面、部段的剛度與地面試驗狀態不同；第三，動力與控制系統是否工作其剛度也會有區別；第四，一次性使用的火箭無法為模態試驗的準確性提供充足的複驗；第五，運載火箭模態試驗需要測量模態阻尼比，該引數很難模擬預示。

解決技術問題最好的方法是科學，解決工程問題最好的方法是經驗。我們採用的水平模態試驗方法不僅是全新的，也突破了各種設計原則。例如：水平進行模態試驗需要將支點設定在振型節點上，這樣對結果影響小，可實際情況是一級振型就兩個節點，兩點支撐無法滿足箭體強度要求；支撐要保證剛體模態不高於首階變形模態的1/6，可實際上由於箭體自重很大，在滿足承載要求前提下還要降低剛度，設計起來十分困難。

▲ 試驗狀態圖

02模態試驗資料處理與分析

模態試驗的目的是為了獲得其前幾階動特性引數，包括振型、頻率和阻尼等。模態試驗資料並不是直接作為姿控設計的輸入條件，而是用來修正數值模型，最終姿控輸入條件是數值計算的結果。對於動特性來講，箭體大多數位置剛度是否準確影響都不大，重要的往往就是幾個關鍵位置，例如連線剛度較弱的連接面，剛度較弱的部段等。因此，試驗中我們更關注的是對區域性剛度的識別。對於天地差異性，火箭飛行過程中的受力狀態是地面無法模擬的，任何的模態試驗方法都無法去模擬過載、發動機推力、氣動外壓等，甚至伺服的工作剛度在模態試驗中往往都不模擬，即使我們做了一次完美的地面模態試驗，與空中狀態也是有差別的。所以，姿控專業在使用模態試驗結果時，往往考慮較大的偏差量。

▲ 質點梁模型

03模態試驗結果正確性

證明模態試驗結果的正確性，有限單元法是最有力的工具。在試驗之前，我們建立了三維實體模型和質點梁模型，真實的模擬了試驗狀態下產品的支撐狀態，並驗算了試驗狀態與飛行狀態下頻率和振型的差別，各階頻率的偏差均不大於1。5%。

▲ 三維實體模型

模態試驗雖然測量的是全箭動特性，可對動特性影響最大的往往是幾個關鍵的部位，我們在試驗前利用有限元模型對所有部段、所有對接面進行篩查，考慮剛度偏差對全箭動特性的影響。結果發現，除了部分對接面和部段以外，大多數部段的影響都在5%以內，也就是說最不利的情況下，只要我們能夠透過區域性模態識別出這幾個位置的剛度，即能夠獲得比較可靠的結果。當然，也有有限元難以處理的問題，這就是阻尼比。阻尼比無法模擬，但由於試驗狀態的頻率和振型比較接近飛行狀態，那麼箭體振動過程中的能量耗散程度也就應該相近，這是試驗阻尼比可靠性的保證。可是，空氣彈簧系統會引入多少阻尼比，我們最初難以評估。後來注意到空氣彈簧的水平與垂直振動模式阻尼比相差6%，即空氣彈簧引入的阻尼比遠小於箭體。

04中科宇航模態試驗技術創新

“空氣彈簧多點水平支撐模態試驗方法”是國內中大型固體運載火箭水平模態試驗方法的重要突破，為國內中大型固體運載火箭模態試驗方法提供了新的試驗方案。試驗中技術團隊以此突破了多空氣彈簧協調聯動控制技術、空氣彈簧支撐力-剛度最佳化設計方案等關鍵技術，並透過開展縮比試驗驗證了“空氣彈簧多點水平支撐模態試驗”技術的有效性。模態試驗採用1：1全尺寸真藥發動機和真實結構部段，其總裝工作可以最大程度上接近於靶場總裝流程，試驗地面裝置需求也與靶場操作接近，在完成模態試驗的同時，可以同步驗證總裝流程。