Новое слово в испытаниях

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 приемо-сдаточных испытаний, а также кропотливой работы конструкторов и производителей.

Проверка на прочность

Важнейшим этапом разработки спутников являются приемо-сдаточные испытания, которые нужны для ответа на вопрос, сможет ли каждая деталь перенести суровые условия запуска. Благодаря многолетнему опыту Siemens PLM Software в разработке специализированных решений для испытаний на внешние динамические воздействия все больше космических агентств отдают предпочтение Siemens в партнерстве по проведению приемо-сдаточных 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 решения 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, 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 1 000 м³, 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, используя для этого камеры среднего размера.

Последние пятнадцать лет американская космическая отрасль работает над созданием альтернативных подходов к испытаниям. Исследовательские проекты направлены на оценку более экономичных способов, позволяющих проводить испытания без использования 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 сокращение 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 поп-фестивали 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, используемых 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 ревеберации, 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 приемо-сдаточных испытаний, что приводит к дополнительным расходам и задержкам. При поддержке специалистов компании Siemens PLM Software инженеры Thales Alenia Space изучили новую методику DFAX, позволяющую проводить приемо-сдаточные 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 ракеты-носителя. 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 PLM Software применила весь свой опыт для решения сложной задачи создания равномерного звукового поля вокруг испытываемого 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 приемо-сдаточные испытания динамического макета рефлектора антенны. На втором этапе инженеры выполнили приемо-сдаточные испытания среднеразмерной платформы макета спутника Global Star второго поколения (GB2). Последовательность испытаний полностью соответствовала условиям запуска согласно спецификациям ракеты-носителя.

"На втором этапе мы проверяли пригодность новой методики для проведения последующей серии приемо-сдаточных испытаний целой группы космических аппаратов, — отмечает Фабрие. — Методика позволяет проводить до 25 испытаний за одну смену. Это очень эффективный способ проверки новых конструкций космических аппаратов. Он позволит нам исследовать большее число вариантов с мгновенной оценкой результатов непосредственно в нашей лаборатории".

Новый метод позволяет снижать затраты на приемо-сдаточные 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.