Simcenter TEST 方案在航天器环境振动试验中的应用（第二期）

冲击测试

航天器在发射和太空作业期间，要经历很多火工装置带来的高能冲击，如发射装置级间分离、整流罩抛射、卫星与发射装置分离，以及太阳能翼板、天线或科学仪器等附属装置的展开。这些冲击，由于其振动加速度大、频率高的特点，许多电子元件和脆性部件在抵抗各种低频环境振动（包括随机振动）的同时，容易发生功能故障。

冲击环境测试，使用火工装置进行试验，模拟精度高、复现性好，但出于成本考虑、早期测试等需要，可以采用其他替代性试验方法。例如使用机械冲击装置或电磁振动台进行。利用时域控制工具，重现短时激励脉冲，模拟冲击事件。测试通常需要采集数百个振动和应变响应通道，得到每个测点的冲击响应谱（Shock Response Synthesis，SRS），冲击试验中通常采用最大冲击响应谱，测试过程需要借助特定算法限制冲击响应谱，从而最大程度保护被测试件。除此之外，测试方案还需具备多样化的数据后处理分析能力。

Simcenter™ SCADAS™和Testlab能够帮助工程师快速采集响应，分析爆炸冲击的影响。在振动台上可以安全地再现各种冲击试验（如半正弦脉冲冲击或合成冲击），具备冲击响应谱限制功能，并提供全面的信号处理功能，如在线计算冲击响应谱综合。

▲电子系统的火工冲击试验

 (Thales Alenia Space泰雷兹阿莱尼亚宇航公司供图)

通过仿真来指导试验，如Simcenter 3D软件，用统计能量法（SEA）通过模拟航天器分离，可以对各种冲击事件进行包络，进而预测得到合理的SRS谱，可以确保对试件合理施加有效载荷。

▲ 欧洲宇航局（ESA）VEGA火箭上段的整流罩分离工况，统计能量法仿真分析与实测的冲激响应谱结果对比

声学测试

发射过程中，整流罩内部的噪声量级可以达到146分贝甚至更高。高量级噪声可能会造成结构损坏、搭载仪器失效等。为确保航天器能够承受一定量级的声学载荷，发射之前，航天器和主要子系统（如太阳能电池板、天线等）必须在一定量级声载荷环境下，完成声学鉴定试验。

卫星声学试验通常采用混响场声控制试验（Reverberant Field Acoustic Excitation ，RFAX）方案，在混响室中进行。混响室的造价高、试验耗时较长。西门子提供了一种经济高效的替代测试方法——直达场声学噪声测试（Direct-field acoustic noise，DFAN）。

▲ 欧洲宇航局的混响场声控制试验

通常情况下，混响室内试验室中充满气态氮，或干燥的氧气，确保声场内声压均匀分布，空气清洁，尽量避免声能量被吸收。试验时，声激励的量级可达150分贝以上。

下图展示了由Simcenter SCADAS硬件和Testlab软件构成的声学控制系统。首先，根据发射条件，定义目标噪声谱。试验室特性由T60混响时间的1/3倍频程谱来定义，作为声控制的一项重要参数。试验中，由控制器产生驱动信号，通过模数转换器输出控制信号，控制信号经过分频器进行分频，输出到功放和扬声器，在混响室内形成均匀的声场。

麦克风用于控制和监测声场，控制器会根据所有麦克风的反馈信号（空间平均值）调整驱动信号，使声场的量级达到设定值。同时，其他振动采集通道监测被测结构上响应点的功率谱密度（PSD），当振动量级超标时及时中断试验。

▲ Simcenter SCADAS硬件

和Testlab软件构成的声学控制系统

直达声场环境试验不需要专门的混响室，可以在普通的房间中进行试验。被测结构放置在多组扬声器中间，用扬声器发出声音，被测结构在直达声场中被激励。试验采用闭环的多入多出（MIMO）控制算法，实现的声场在数据一致性、混响场特性方面，均能够达到要求。

下图是法国Thales Alenia Space公司卫星天线反射器外壳的声环境控制试验现场。声激励装置由96个扬声器组成，以每组8个共12列的方式堆叠，扬声器阵列环布在试验件四周。除扬声器外还有对应的96个功率放大器，能够营造高达147dB的声场环境。试验中使用了Simcenter SCADAS硬件和Testlab声控制软件，并布置了16个传声器用于监测声场，控制器会根据监测反馈信号，校正扬声器的驱动信号，确保声场的均匀性。

使用Simcenter Testlab MIMO声控制软件和映射优化算法，保证了MIMO随机控制参考谱的准确定义，并可以基于声场均匀性，对作为控制信号的传声器进行优化选择。

▲ 法国Thales Alenia Space

卫星天线反射器的直达声场（DFAN）环境试验

航天及运载火箭行业目前都在制定相关的直达声场（DFAN） 环境试验的标准，美国NASA宇航局已制定并推行了NASA-HDBK-7010技术手册。

▲ Simcenter DFAN（直达声场噪声）方案，结合 MSI DFAT 声学传感器在欧洲航天局PROBA V 卫星测试中的应用

为了优化混响场声控制方案，可以先进行仿真计算，预测结构响应，避免过试验。Simcenter 3D软件通过随机平面波的组合方式，先创建出混响场，再将声激励转换为作用到航天器结构上的压力载荷。数字孪生模型可以对试验所需的扬声器数量、类型和位置进行评估，确保试验满足激励能量以及均匀性的要求。

在Simcenter 3D中完成虚拟试验设计，包括扬声器的数量、布置、麦克风和被测件的位置，对声场进行了预测分析，检验声场均匀度，最后对一次完整的试验进行全程模拟，计算出了试验件所承受的声载荷。

模态试验

通过模态试验，可以了解航天器的结构动力学特性，验证动力学有限元模型。为了评估发射过程中的损坏风险，要进行耦合载荷分析（CLA），有限元模型的验证是CLA的必要前提。有限元模型还可以用于虚拟振动试验。

模态试验通常需要使用电磁激振器，激励形式通常选择猝发随机，因为它速度快、效率高。当需要更高的激励能量，或评估结构非线性特性时，则可以使用步进正弦。激励过程中，同步完成频响函数（FRFs）的测试。在测试过程中，同步完成力信号、振动加速度响应信号的采集。

测试完成后，使用模态曲线拟合技术提取出共振频率，阻尼和振型等模态参数,并进行相关性分析。

下图是加拿大航天局的Radarsat雷达卫星项目模态测试案例。耦合载荷分析结果表明：发射过程中合成孔径雷达（SAR）的面板可能会发生损坏。这四块面板具有几乎相同的几何形状，在发射过程中紧密地堆叠在一起。

为了修正有限元模型，需要对共振频率进行细致精确的识别。由于模态密度高，试验需要同时5个激振器激励，测试240个点的响应。Simcenter Testlab模态分析软件，能够有效识别49Hz到61Hz间密集分布的各阶模态。

▲ 加拿大航天局Radarsat雷达卫星项目模态测试（左）
应用Simcenter Testlab Polymax模态曲线拟合算法提取到的模态振型结果（右）