航天相机等效试验模型的研制

    1　引　　言

　　在空间遥感相机的研制过程中,力学环境试验是必不可少的。通过试验,可以检验相机的强度、刚度等各项力学性能指标,检验设计参数和工程分析模型的正确程度,还能检验相机与飞船连接的过渡段的力学性能和连接方式的合理性,研究相机、飞船、过渡段的机械阻抗状态,考核相机与飞船耦合共振发生的可能性,发现工程设计、加工制造、装配及材料等存在的问题。力学试验的有些工况是比较恶劣的,比如低频正弦扫描、随机振动等。相机作为一个精密的光学仪器,对环境比较敏感,况且其造价昂贵,所以在与飞船的轨道舱进行动力学耦合试验时,为提高试验的可靠性,拟首先采用相机的模拟试验模型进行试验[1],检验相机与飞船的耦合振动情况是否对相机产生破坏性的影响,及相机与飞船的过渡段的强度和刚度能否满足相机的要求,在确保相机试验的安全性后进行相机的动力学试验。

    相机与飞船的连接关系相当于飞船是一个大的弹性基体,相机是一个具有一定刚度的有效质量单元,通过飞船与相机的过渡段,基体与质量单元连接在一起,其中过渡段又可以看作是一个弹性元件,具有一定的质量、刚度和阻尼(相机-过渡段-飞船系统的简化力学模型见图1)。整个飞船在发射运载及工作过程中受到的冲击、过载和其他振动工况的作用,并通过过渡段传递到相机。通过质量-弹簧-阻尼系统的动力学分析可知,相机与飞船是否有耦合共振的发生,决定于飞船、相机的质量、刚度、阻尼和过渡段的机械阻抗。采用试验模型进行动力学耦合试验时,为使试验模型与飞船的动力学耦合试验能够为相机与飞船的耦合试验提供有价值的数据,必须对试验模型进行有效的研制。根据相似理论,试验模型的结构尺寸、拓扑关系、刚度、质量、质量分布、阻尼等必须能够等效地模拟相机结构。在此条件下得到的耦合试验结果能与真实相机进行耦合试验的结果基本一致,能够对真实相机的试验起到指导作用。

    2　试验模型的结构设计

　　整个相机是一个相当复杂、庞大的系统,零件总数超过1000件,所用材料几十种。而对试验模型的要求是在保证反映真实相机的力学特性的前提下尽量降低成本,这就要求试验模型尽量简化,其中包括结构简化、所用材料简化。结构简化要求试验模型的零件数目少,材料简化要求试验模型尽量采用廉价、常用的材料。实际研制中,我们只用了铸铝一种材料。

    对于动力学分析,结构的动力学基本方程为[2]:

MXb+CXa+KX= 0 (1)

    式中M、K、C分别代表结构的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。由(1)可知,表征一个结构动力学特性的最基本的参数是质量、阻尼、刚度,而其自然频率、振型是反映结构动力学特性的具体体现,若使得自然频率、固有振型及外界激励条件下的系统响应等效,试验模型与原型的运动微分方程中的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和载荷矢量必须分别等效,也就是力学等效。设计试验模型时,在保证上述等效的前提下,必须满足以下几点约束条件:(1)与支撑结构的接口尺寸要保持与原型一致;(2)外形尺寸与原型相似;(3)制造工艺性良好。