Одним из этапов создания космических конструкций является разработка их расчётных динамических моделей. Эти модели необходимы для обеспечения управляемости космических аппаратов, потребительских свойств связи и навигации, дистанционного зондирования Земли.
Первоначально расчётные динамические модели строятся на основе технической документации, а затем корректируются по результатам экспериментального модального анализа изделий. Целью экспериментального модального анализа (модальных испытаний) является определение модальных параметров собственных тонов колебаний конструкций в заданном частотном диапазоне. Этими параметрами являются собственные частоты и формы колебаний, характеристики демпфирования.
Модальные испытания крупногабаритных трансформируемых конструкций (КТК), которыми являются, например, антенны и солнечные батареи, сопряжены с определёнными трудностями. Поскольку эти конструкции могут иметь большую протяжённость (порядка 100 метров), то для их испытаний необходимо помещение соответствующих размеров. Кроме того, для выделения собственных тонов колебаний протяжённой конструкции необходима система возбуждения колебаний с большим числом силовозбудителей, управление которой является достаточно сложной задачей. КТК не рассчитаны на эксплуатацию под воздействием гравитации, поэтому при проведении испытаний необходима многоканальная система компенсации веса, которая не должна искажать динамические характеристики объекта испытаний. КТК имеют, как правило, низкие (до одной десятой доли герца) собственные частоты упругих колебаний, поэтому затруднительны измерения колебаний датчиками ускорений, обычно используемыми в модальных испытаниях. Измерения же перемещений требуют базу для отсчёта, что усложняет процесс испытаний. И, наконец, на модальные характеристики тонов колебаний с низкими частотами повышенное влияние оказывает воздушная среда.
Эти обстоятельства настолько значимы, что за последние годы были проведены модальные испытания только одной крупногабаритной космической конструкции. Речь идёт об испытаниях в барокамере макета солнечного паруса размером 20 × 20 м специалистами NASA.
Сотрудники СибНИА под руководством Владимира Андреевича Бернса предложили метод, который позволяет обойти перечисленные трудности.
Разработанный метод предполагает разделение космической конструкции на составные части, проведение испытания этих частей по отдельности, коррекцию расчётных моделей составных частей, синтезирование расчётной модели всей конструкции и определение её модальных параметров по этой расчётной модели. Во-первых, это существенно снижает габариты и зачастую позволяет обходиться без системы обезвешивания. Во-вторых, частоты составных частей более высокие, а значит использование датчиков ускорений вполне возможно. Метод позволяет провести учёт влияния воздушной среды, а также выявлять нелинейности (трещины, зазоры и т. д.) и их устранять или, если это невозможно, учесть в расчётной модели.
Коллектив В. А. Бернса разработал и запатентовал специальный метод модальных испытаний — метод монофазных колебаний. Этот метод обладает уникальными свойствами, например, малой чувствительностью к погрешностям измерений и влиянию тонов с близкими собственными частотами. Эффективность методики подтверждена результатами испытаний самолётов, вертолётов и космических объектов.
Предложенный метод апробирован, например, при разработке и изготовлении опытного образца системы обезвешивания для проведения модальных испытаний крупногабаритных трансформируемых конструкций в Конструкторско-технологическом институте научного приборостроения СО РАН. При этом в ходе испытаний вышеуказанной системы получен технический эффект повышения качества и достоверности модальных испытаний раскрываемых конструкций космических аппаратов (КА). Также метод апробирован в АО «ВПК «НПО Машиностроения» при разработке эскизного проекта на создание солнечной батареи, привода и автоматики управления для космического аппарата. В рамках этой работы успешно проведены испытания по определению динамических характеристик крыла солнечной батареи для КА в рабочей (орбитальной) конфигурации с имитацией условий невесомости в наземных лабораторных условиях.
Практическая значимость метода заключается в снижении объёма работ по наземной экспериментальной отработке космических аппаратов, в обеспечении управляемости и нормального функционирования космической техники в течение заданного срока эксплуатации.
Картинка: https://www.iss-reshetnev.ru/assets/templates/assets/images/pics/projects/telecommunication/project-express-am6.jpg
С сайта: https://www.iss-reshetnev.ru/