4.2.Испытания на воздействие ударных нагрузок .

4.2.1. Основные характеристики ударного процесса и возможные последствия воздействия удара на конструкцию и состояние КА.

Ударом называют механическое воздействие материальных тел, приводящее к конечному изменению скоростей их точек за бесконечно малый промежуток времени . Ударное движение - движение, возникающее в результате однократного взаимодействия тела (среды) с рассматриваемой системой при условии, что наименьший период собственных колебаний системы или ее постоянная времени соизмеримы или больше времени взаимодействия.

При ударном взаимодействии в рассматриваемых точках определяют ударные ускорения, скорость или перемещение. В совокупности такие воздействия и реакции называют ударными процессами. Механические удары могут быть одиночными, многократными и комплексными. Одиночные и многократные ударные процессы могут воздействовать на аппарат в продольном, поперечном и любом промежуточном направлениях. Комплексные ударные нагрузки оказывают воздействие на объект в двух или трех взаимно перпендикулярных плоскостях одновременно. Ударные нагрузки на КА могут быть как непериодическими, так и периодическими. Возникновение ударных нагрузок связано с резким изменением ускорения, скорости или направления перемещения КА. Наиболее часто в реальных условиях встречается сложный одиночный ударный процесс, представляющий собой сочетание простого ударного импульса с наложенными колебаниями.

К основным характеристикам ударного процесса относятся:

- законы изменения во времени ударного ускорения , скорости и перемещения ;

- длительность действия ударного ускорения- величина интервала времени ( ) от момента появления до момента исчезновения ударного ускорения;

- длительность фронта ударного ускорения - интервала времени от момента появления ударного ускорения до момента, соответствующего его пиковому значению;

-коэффициент наложенных колебаний ударного ускорения - отношение полной суммы абсолютных значений приращений между смежными и экстремальными значениями ударного ускорения к его удвоенному пиковому значению;

- импульс ударного ускорения - интеграл от ударного ускорения за время, равное длительности его действия.

По форме кривой функциональной зависимости параметров движения ударные процессы разделяются на простые и сложные. Простые процессы не содержат высокочастотных составляющих и их характеристики аппроксимируются простыми аналитическим функциями. Класс функции определяется формой кривой, аппроксимирующей зависимость ускорения от времени - полусинусоидальная, косинусоидальная, прямоугольная, треугольная, пмлообразная, трапецеидальная и т. п.

Механический удар сопровождается быстрым выделением энергии, в результате чего возникают местные упругие или пластические деформации, возбуждение волн напряжения и другие эффекты, приводящие иногда к нарушению функционирования и к разрушению конструкции КА. Ударная нагрузка, приложенная к КА, возбуждает в нем быстрозатухающие собственные колебания . Значение перегрузки при ударе, характер и скорость распределения напряжений по конструкции определяются силой и продолжительностью удара и характером изменения ускорения. Удар, воздействуя на КА, может вызвать его механическое разрушение. В зависимости от длительности, сложности ударного процесса и его максимального ускорения при испытаниях определяют степень жесткости элементов конструкции КА. Простой удар может вызвать разрушение вследствие возникновения сильных, хотя и кратковременных перенапряжений в материале. Сложный удар может привести к накоплению микродеформаций усталостного характера. Так как конструкция КА обладает резонансными свойствами, то даже простой удар может вызвать колебательную реакцию в ее элементах, также сопровождающуюся усталостными явлениями.

Механические перегрузки вызывают деформацию и поломку деталей , ослабление соединений ( сварных, резьбовых, заклепочных), перемещение механизмов и органов управления, в результате чего изменяется регулировка и настройка приборов и появляются другие неисправности.

4.2.2. Испытания конструкций и систем КА на воздействие ударных нагрузок

Общая задача испытаний КА на воздействие ударных нагрузок состоит в проверке способности КА и всех его элементов выполнять свои функции в процессе ударного воздействия и после него. При этом ставится целью максимально приблизить результаты испытательного удара к эффекту реального удара в натурных условиях эксплуатации КА.

При воспроизведении в условиях наземного эксперимента режимов ударного нагружения накладывают ограничения на форму импульса мгновенного ускорения как функции времени, а также на допустимые пределы отклонений формы импульса. Дело в том, что практически каждый ударный импульс на лабораторном стенде сопровождается пульсацией, являющейся следствием резонансных явлений в ударных установках и вспомогательном оборудовании. Так как спектр ударного импульса в основном является характеристикой разрушающего действия удара, то наложение даже небольшой пульсации может сделать результаты лабораторных измерений недостоверными.

Ударные стенды обычно состоят из следующих элементов : испытуемого объекта, закрепленного на платформе или в контейнере вместе с датчиком ударной перегрузки; средства разгона для сообщения объекту необходимой скорости; тормозного устройства; системы управления; регистрирующей аппаратуры для записей исследуемых параметров объекта и закона изменения ударной перегрузки; первичных преобразователей; вспомогательных приборов для регулировки режимов функционирования испытываемого объекта; источников питания, необходимых для работы испытуемого объекта и регистрирующей аппаратуры.

Простейшим стендом для ударных испытаний является стенд , работающий по принципу сбрасывания закрепленного на каретке испытуемого объекта с некоторой высоты, т.е. использующий для разгона силы земного тяготения. При этом форма ударного импульса определяется материалом и формой соударяющихся поверхностей. На таких стендах можно обеспечить ускорение до . Стенд, работающий по принципу сбрасывания объекта с определенной высоты , имеется в научно- исследовательской лаборатории кафедры 601 МАИ и называется научно-исследовательским стендом бросковых испытаний. Ударные перегрузки на таких стендах зависят от высоты падения , жесткости тормозящих элементов , суммарной массы стола и объекта испытаний и характеризуются следующей зависимостью : . Подбирая соответствующим образом отмеченные величины , можно получать требуемые перегрузки .

Имеются испытательные стенды , использующие гидравлический или пневматический привод для разгона каретки с испытуемым объектом . В качестве разгонного устройства могут быть использованы резиновые амортизаторы, пружины, а также линейные асинхронные двигатели.

Возможности практически всех ударных стендов определяются конструкцией тормозных устройств. Перечислим и кратко охарактеризуем виды этих устройств , используя заимствованный из [ 1 ] рис.4.2.

Рис.4.2

1) Для получения больших перегрузок с малым фронтом их нарастания ( ) используется удар испытуемого объекта с жесткой плитой (рис.4. 2 ) . Торможение происходит за счет возникновения упругих сил в зоне контакта при ударе.

2) Для получения перегрузок в широком диапазоне, от десятков до десятков тысяч единиц, с временем нарастания их от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд используют деформированные элементы в виде пластины или прокладки, лежащей на жестком основании. Материалами этих прокладок могут быть сталь, латунь, медь, свинец, резина и т.п. ( рис.4. 2 )

3) Для обеспечения какого-либо заданного закона изменения перегрузки и длительности времени ударного ускорения ( ) в небольшом диапазоне используют деформируемые элементы в виде наконечника, который устанавливается между плитой ударного стенда и испытуемым объектом (рис.4.2 ).

4) Для воспроизведения удара с относительно большим путем торможения применяют тормозное устройство, состоящее из свинцовой , пластически деформированной плиты, расположенной на жестком основании стенда, и внедряющегося в нее жесткого наконечника соответствующего профиля ( рис.4.2 ) , закрепленного на объекте или на платформе стенда. Такие тормозные устройства позволяют получать перегрузки в широком диапазоне с небольшим временем их нарастания, доходящим до десятков миллисекунд.

5) В качестве тормозного устройства может быть использован упругий элемент в виде рессоры (рис.4.2. ), установленной на подвижной части ударного стенда. Такой вид торможения обеспечивает получение относительно малых перегрузок полусинусоидальной формы с продолжительностью, измеряемой миллисекундами.

6) Пробиваемая металлическая пластина, закрепленная по контуру в основании установки в сочетании с жестким наконечником платформы или контейнера , обеспечивает получение относительно малых перегрузок ( рис.4. 2 ).

7) Деформируемые элементы, установленные на подвижной платформе стенда ( рис.4.2 ), в сочетании с жестким коническим уловителем обеспечивают получение длительно действующих перегрузок с временем нарастания до десятков миллисекунд.

8) Тормозное устройство с деформированной шайбой ( рис.4.2 ) позволяет получать большие пути торможения объекта ( до 200 - 300 мм ) при малых деформациях шайбы.

9) Пневматическое тормозное устройство ( рис.2 ) позволяет воспроизвести интенсивные ударные импульсы различной формы. Кроме того, это устройство является устройством многоразового действия .

10) Широко применяются гидравлические амортизаторы. При ударе испытуемого объекта об амортизатор его шток погружается в жидкость. Жидкость выталкивается через очко штока по закону, определяемому профилем регулирующей иглы. Изменяя профиль иглы, можно реализовать различный вид закона торможения.

В заключение лекции следует отметить, что ударные испытания можно проводить и на маломасштабных моделях объекта, руководствуясь при разработке методики такого эксперимента теорией подобия физических процессов.

5. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ КА.

Газодинамическим испытаниям подвергаются маломасштабные модели околоземных КА многоразового использования, а также маломасштабные модели спускаемых аппаратов , входящих в атмосферу планеты с высокими скоростями.