Thales Alenia Space в партнерстве с Siemens Digital Industries Software тестирует новые средства и подходы к акустическим испытаниям.
Запуск спутников в космос — тяжелое испытание для его деталей и узлов. Несмотря на высокую вероятность поломок и повреждений, инженеры должны гарантировать доставку аппарата на орбиту в абсолютно исправном состоянии. Успех запуска спутников — это результат современных подходов и программ приемосдаточных испытаний, а также кропотливой работы конструкторов и производителей.
Проверка на прочность
Важнейшим этапом разработки спутников являются приемосдаточные испытания, которые нужны для ответа на вопрос, сможет ли каждая деталь спутника перенести суровые условия запуска. Благодаря многолетнему опыту Siemens Digital Industries Software в разработке специализированных решений для испытаний на внешние динамические воздействия, все больше космических агентств отдают предпочтение Siemens в партнерстве по проведению приемосдаточных испытаний. Возможности программной платформы Simcenter Testlab™ и аппаратной платформы Simcenter SCADAS™, входящих в портфолио решений Simcenter™, гарантируют безопасное и эффективное проведение таких испытаний.
Thales Alenia Space, совместное предприятие компаний Thales и Leonardo, является ведущим европейским производителем спутников и космических аппаратов. Специалисты компании создают высокотехнологичные продукты для телекоммуникации, навигации, дистанционного зондирования Земли, решения задач в области экологии, научных исследований и строительства орбитальной инфраструктуры. Государственные учреждения и частные компании полагаются на большой опыт Thales Alenia Space в области проектирования, изготовления и эксплуатации спутниковых систем, обеспечивающих связь и оптимизацию использования ресурсов планеты.
Подходы к испытаниям: поиск идеальной формулы
Испытания на устойчивость к динамическим воздействиям окружающей среды предусматривают множество проверок, необходимых для квалификационной оценки целевой и служебной аппаратуры космических аппаратов. Акустические прочностные испытания — один из критически важных этапов, на котором объект подвергается воздействию поля звукового давления высокой интенсивности с измерением вибрационных колебаний. Специалисты по испытаниям проверяют как отдельные компоненты (рефлекторы, панели солнечных батарей), так и весь спутник.
Акустические прочностные испытания космических аппаратов традиционно проводятся в реверберационных акустических камерах. Обычно это крупные стенды объемом более 1000 м2, в которые нагнетается газообразный азот с коэффициентом звукопоглощения ниже, чем у воздуха. Спектр шума создается модуляторами, соединенными с рупорами, и достигает уровня более 150 дБ. В таких камерах имитируется поле звукового давления, воздействующее на спутник под обтекателем ракетоносителя на участке выведения. Помимо многоканального сбора данных Simcenter позволяет управлять акустическим нагружением в реверберационных камерах по заданному профилю.
Акустические испытания в реверберационных камерах — надежный, безопасный и точный метод, но длительный и дорогостоящий. Аналогичным методом проводятся испытания антенн и рефлекторов — для этого используются камеры среднего размера.
Последние 15 лет американская космическая отрасль работает над созданием альтернативных подходов к испытаниям. Исследовательские проекты направлены на оценку более экономичных способов, позволяющих проводить испытания без применения уникальных и дорогих в эксплуатации испытательных стендов. В частности, разработан метод прямого возбуждения акустическим полем (Direct Field Acoustic eXcitation, или DFAX; в США также используется аббревиатура DFAT (Direct Field Acoustic Test)), который в отдельных случаях уже применяется при проведении квалификационных испытаний американских спутников. Метод DFAX отличают более низкие начальные инвестиции и последующие эксплуатационные расходы. Среди его технических преимуществ — существенное сокращение времени, необходимого для выхода на заданный уровень нагрузки, и лучшее управление по спектру в низкочастотном диапазоне от 20 до 60 Гц. В 2016 году НАСА опубликовало «Справочник НАСА 7010» — первую работу, закладывающую основу нового подхода к акустическим испытаниям. Как и американские коллеги, ведущие европейские компании, включая Thales Alenia Space, проводят эксперименты по освоению и оценке новых методик акустических испытаний космических аппаратов.
Добавьте громкости!
Что общего между фестивалями Alfa Future People в России, Coachella в США и Sziget в Венгрии? Эти популярные рок и попфестивали под открытым небом собирают страстных поклонников музыки. За последние годы характеристики современных усилителей и динамиков достигли максимума. Появление на рынке концертных динамиков и усилителей, способных создавать подходящее для испытаний спутников поле акустического давления, сделало возможным разработку метода прямого возбуждения акустическим полем. При проведении испытаний методом DFAX объект испытаний устанавливается в центре круга из громкоговорителей и подвергается непосредственному воздействию акустического поля. Современные усилители и динамики способны создавать уровень громкости, соответствующий требуемому значению общего уровня звукового давления. Уровни виброколебаний при использовании метода DFAX сравнимы с теми, что зафиксированы в рамках испытаний в реверберационных камерах. В ближайшем будущем запускаемые с космодрома Европейского Союза спутники смогут проходить ряд испытаний с помощью динамиков, применяемых на концертах.
Метод DFAX снижает общие затраты: испытания можно проводить практически везде. Помимо очевидного удобства, сокращается продолжительность испытаний. Однако нельзя забывать о вопросах безопасности, надежности и точности. Природа звукового поля при испытаниях методом DFAX отличается от поля в камерах реверберации, и эту разницу необходимо учитывать для получения реалистичных результатов. Инженеры компании Thales Alenia Space постоянно работают над совершенствованием и оценкой метода DFAX.
Звук вокруг
Инженеры компании Thales Alenia Space в Тулузе разрабатывают компоненты спутников, из которых затем собирается полноценный космический аппарат. У компании есть своя реверберационная камера, которая находится в Каннах, в 500 км от Тулузы. На практике это означает, что каждый новый разработанный компонент необходимо перевозить в Канны для проведения акустических приемосдаточных испытаний, что приводит к дополнительным расходам и задержкам. При поддержке специалистов компании Siemens Digital Industries Software инженеры Thales Alenia Space изучили новую методику DFAX, позволяющую проводить приемосдаточные испытания прямо на месте. Проект получил название «Гром» — весьма подходящее для установки, создающей уровень громкости в 147 дБ в «чистой комнате» и отвечающей требованиям стандарта ISO9. Это уникальный по своим техническим характеристикам стенд.
В рамках серии испытаний было воспроизведено такое же поле акустического давления, которое воздействует на телекоммуникационный спутник под головным обтекателем ракетыносителя. На стенде воссоздаются высокие уровни акустического давления, соответствующие тем, что воздействуют на аппарат на участке выведения. Стенд включает 96 динамиков, установленных по кругу в 12 стойках, и 96 усилителей, выдающих на выходе мощность 4х5 кВт. Объект испытаний помещен в центре цилиндра высотой 5 м, образованного стойками с динамиками. Основная трудность состояла в воспроизведении равномерного диффузного акустического поля вокруг объекта испытаний. В ходе испытаний инженеры должны были убедиться, что поведение объекта аналогично тому, что наблюдалось в реверберационной камере.
Кристоф Фабрие, руководитель проекта в компании Thales Alenia Space, поясняет: «Siemens Digital Industries Software применила весь свой опыт для решения сложной задачи создания равномерного звукового поля вокруг испытуемого объекта. Мы использовали системы Simcenter SCADAS с программным обеспечением Simcenter Testlab в режиме управления многокомпонентным случайным возбуждением с обратной связью. В систему поступают сигналы от 16 микрофонов, размещенных вокруг объекта испытаний. Эти сигналы обрабатываются, и система выдает скорректированный сигнал управления нагружением. Скорректированные сигналы управления подаются на динамики, что и позволяет получить равномерное поле давления».
Аппаратные модули Simcenter SCADAS выдают сигналы в нужном диапазоне напряжений. Алгоритм с обратной связью гарантирует, что выходной сигнал соответствует заданному профилю нагружения. Новый подход позволил успешно провести приемосдаточные испытания динамического макета рефлектора антенны. На втором этапе инженеры выполнили приемосдаточные испытания среднеразмерной платформы макета спутника Global Star второго поколения (GB2). Последовательность испытаний полностью соответствовала условиям запуска согласно спецификациям ракетыносителя.
«На втором этапе мы проверяли пригодность новой методики для проведения последующей серии приемосдаточных испытаний целой группы космических аппаратов, — отмечает гн Фабрие. — Методика обеспечивает проведение до 25 испытаний за одну смену. Это очень эффективный способ проверки новых конструкций космических аппаратов. Он даст нам возможность исследовать большее число вариантов с мгновенной оценкой результатов непосредственно в нашей лаборатории».
Новый метод позволяет снижать затраты на приемосдаточные испытания спутников и обеспечивать полную безопасность как испытываемых объектов, так и задействованного персонала. Теперь испытания можно проводить на месте без необходимости перевозки космических аппаратов в специальный испытательный центр.
