中科一号甲固体运载火箭完成大吨位全尺寸水平支撑模态试验

　　来源 中科宇航
　　中科宇航技术团队独创性的采用了多点空气弹簧水平支撑的方式实现了固体运载火箭规模最大的水平状态模态试验。在试验的方案设计阶段，多点水平支撑总是设计师们分析讨论的核心问题，支撑刚度、托架的附加质量、大吨位箭体水平停放的截面弯矩等会对结果带来怎样的影响，一直困扰着设计师们。近日，随着为期数月的中科宇航全箭多点空气弹簧水平支撑模态试验顺利完成全部工况的数据采集和分析工作，前期的疑惑和技术问题逐一消除。
　　▲ 中科宇航助推运载器全箭模态试验现场01模态试验技术难点
　　运载火箭模态试验有其特有的难度，且面临大量的工程问题。这些问题绝大多数是由天地差异性带来的。首先，运载火箭飞行过程中是没有约束的，地面试验无法实现真实模拟，只可以采用柔性的试验支撑装置安放试验件，这样就不可避免的引入附加刚度和质量；第二，火箭飞行过程中受力很大，巨大的轴力和弯矩可能造成对接面、部段的刚度与地面试验状态不同；第三，动力与控制系统是否工作其刚度也会有区别；第四，一次性使用的火箭无法为模态试验的准确性提供充足的复验；第五，运载火箭模态试验需要测量模态阻尼比，该参数很难仿真预示。
　　解决技术问题最好的方法是科学，解决工程问题最好的方法是经验。我们采用的水平模态试验方法不仅是全新的，也突破了各种设计原则。例如：水平进行模态试验需要将支点设置在振型节点上，这样对结果影响小，可实际情况是一级振型就两个节点，两点支撑无法满足箭体强度要求；支撑要保证刚体模态不高于首阶变形模态的1/6，可实际上由于箭体自重很大，在满足承载要求前提下还要降低刚度，设计起来十分困难。
　　▲ 试验状态图02模态试验数据处理与分析
　　模态试验的目的是为了获得其前几阶动特性参数，包括振型、频率和阻尼等。模态试验数据并不是直接作为姿控设计的输入条件，而是用来修正数值模型，最终姿控输入条件是数值计算的结果。对于动特性来讲，箭体大多数位置刚度是否准确影响都不大，重要的往往就是几个关键位置，例如连接刚度较弱的连接面，刚度较弱的部段等。因此，试验中我们更关注的是对局部刚度的识别。对于天地差异性，火箭飞行过程中的受力状态是地面无法模拟的，任何的模态试验方法都无法去模拟过载、发动机推力、气动外压等，甚至伺服的工作刚度在模态试验中往往都不模拟，即使我们做了一次完美的地面模态试验，与空中状态也是有差别的。所以，姿控专业在使用模态试验结果时，往往考虑较大的偏差量。
　　▲ 质点梁模型03模态试验结果正确性
　　证明模态试验结果的正确性，有限单元法是最有力的工具。在试验之前，我们建立了三维实体模型和质点梁模型，真实的模拟了试验状态下产品的支撑状态，并验算了试验状态与飞行状态下频率和振型的差别，各阶频率的偏差均不大于1.5%。
　　▲ 三维实体模型
　　模态试验虽然测量的是全箭动特性，可对动特性影响最大的往往是几个关键的部位，我们在试验前利用有限元模型对所有部段、所有对接面进行筛查，考虑刚度偏差对全箭动特性的影响。结果发现，除了部分对接面和部段以外，大多数部段的影响都在5%以内，也就是说最不利的情况下，只要我们能够通过局部模态识别出这几个位置的刚度，即能够获得比较可靠的结果。当然，也有有限元难以处理的问题，这就是阻尼比。阻尼比无法仿真，但由于试验状态的频率和振型比较接近飞行状态，那么箭体振动过程中的能量耗散程度也就应该相近，这是试验阻尼比可靠性的保证。可是，空气弹簧系统会引入多少阻尼比，我们最初难以评估。后来注意到空气弹簧的水平与垂直振动模式阻尼比相差6%，即空气弹簧引入的阻尼比远小于箭体。04中科宇航模态试验技术创新
　　＂空气弹簧多点水平支撑模态试验方法＂是国内中大型固体运载火箭水平模态试验方法的重要突破，为国内中大型固体运载火箭模态试验方法提供了新的试验方案。试验中技术团队以此突破了多空气弹簧协调联动控制技术、空气弹簧支撑力-刚度优化设计方案等关键技术，并通过开展缩比试验验证了＂空气弹簧多点水平支撑模态试验＂技术的有效性。模态试验采用1:1全尺寸真药发动机和真实结构部段，其总装工作可以最大程度上接近于靶场总装流程，试验地面设备需求也与靶场操作接近，在完成模态试验的同时，可以同步验证总装流程。