第一章 动力学环境模拟概述.ppt

动力学环境模拟 参考书：《卫星环境工程和模拟试验》宇航出版社，主编：柯受全《航天器动力学环境试验技术》中国科学技术出版社，向树红《工程振动试验分析》清华大学出版社，李德葆 一、动力学环境模拟的意义 动力学环境：变化的激励（还称为强迫函数或动力学载荷）作用在航天器或它的部件上所产生的所有现象统称为动力学环境（Dynamic environments）。 动力学环境试验是卫星环境工程的重要组成部分，它主要发生在卫星的发射阶段，作用时间虽短，但是其重要性不容忽视，是卫星出厂前所不可或缺的环境试验项目之一。据国外统计，卫星发射上天后第一天所出现的故障，30%~60%是由于动力学环境所一起的，因此，动力学环境对卫星工作的可靠性的影响不可忽视。 火箭发射 振动声学问题 湍流边界层脉动引起的压力波动场,压力波动场通过透射以及与结构共振传播等手段会转变为整流罩内部噪声，并导致结构剧烈振动 振动声学问题的重要性 西方发达国家在火箭、导弹和航天事业开始发展过程中的成功率是很低的，50％就算是好的。例如1958年美国第一颗卫星“探险者1号”，由于其四根鞭状天线的振动耗散很多能量而导至卫星翻滚，任务失败；1982年美国发射的“陆地卫星—4”的观测仪器旋转部分，受到太阳帆板驱动系统的干扰而产生微小的振动，但却大大降低了图象质量；1982年日本发射的技术试验卫星也由于挠性太阳帆板驱动系统和姿态控制系统间的耦合振动干扰而没能达到预期的性能。 航天飞行器系统(导弹、卫星、运载器和宇宙飞船等)在运输及飞行中会遭受到多种冲击，振动及噪声的恶劣环境的作用。这些动力学环境主要是由如下原因引起的：运输、搬运、火箭运载器级间分离，整流罩及有效载荷分离的爆脱冲击(Pyroshock)；由火箭发动机推进系统及其喷气噪声(起飞)，上升段最大动压头及再入大气层引起的瞬态和稳态振动、气动噪声、颤振(Flutter)、跷振(Pogo)及大型空间柔性结构展开引起的振动等等。 美国在八十年代中期曾调查了四个飞行计划中12个航天运载器和12个有效载荷系统的共88次飞行故障，分析报告认为其中3次是由飞行振动环境引起的，41起肯定是由飞行过程(爆脱)冲击引起的，其余44起有较高概率认为是由冲击引起的。 二、航天器动力学环境的分类 航天器动力学环境的一般性分类如下： （1）声 声环境由卫星起飞和动力飞行过程中在卫星外表面或整流罩上形成的空气脉动压力所引起的。可以分为由卫星运载火箭排气所产生的声学噪声和卫星在高速飞行过程中所产生的气动噪声。 （2）振动 振动环境包括以下两种情况： a. 卫星在地面运输、火箭发动机工作、运载火箭与液体推进系统的共振频率耦合等产生。 b. 由火箭发动机点火、关机和级间分离等突发性载荷，通过飞行器结构传到卫星上并逐渐衰减，称为瞬态振动。 （3）冲击 卫星在飞行过程中，为使卫星和运载分离、抛整流罩、舱段分离，以及各种伸展组件的解锁、释放和展开等，需要使用各种类型的火工装置，这些火工装置在极短的时间内发生作用，一般称为爆炸冲击环境。 （4）加速度 卫星在动力飞行中，由于火箭发动机的推力而获得的加速度。这种加速度由于变化缓慢而近于稳态，再加上振动环境加速度的低频部分，共同组成卫星的加速度环境。 航天器动力学环境的分类（续） 根据航天器的振动性质进行分类： （1）正弦振动 来自运载火箭发动机不稳定燃烧而产生的推力脉动变化，旋转设备的不平衡转动，液体火箭的结构与液体推进剂、储箱及供应系统在燃烧室压力和推力脉动变化下相互作用产生的振动，频率范围为5-100Hz。 （2）随机振动 卫星经受的随机激励主要是声致振动，运载火箭排气所产生的声学噪声和卫星在高速飞行过程中所产生的气动噪声。 （3）瞬态激励 主要来自飞行过程中的阵风，发动机点火和关机，级间分离等突发载荷。 航天器动力学环境的分类（续） 根据激励的类型，也分为确定性动力学环境、随机或混合的动力学环境。 1.确定性动力学环境（deterministic dynamic environment） 每一次动力学环境的出现都有相同时间历程的激励产生的动力学环境。它满足如下的条件：在单次的以前激励测量的基础上，在可容许的误差范围之内，在任意时刻t，激励的瞬时值是预先已知的。确定性环境可以通过周期的或非周期的时间历程信号表示为时间的函数。 随机动力学环境（random dynamic environment） 在随机动力学环境中，描述环境特性时间历程的平均特征（均值和方差）在每一次动力学环境中尽管可能都是相同的，但是每一次的精确时间历