載人航天器在軌力學環境測量系統試驗研究

尹 釗，侯旭濤

（1. 中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 航天恒星科技有限公司，天津 300000）

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載人航天器在軌力學環境測量系統試驗研究

尹 釗1，侯旭濤2

（1. 中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 航天恒星科技有限公司，天津 300000）

摘要：為獲取載人航天器上升段與在軌期間的力學環境，設計了在軌力學環境測量系統，并在載人航天器振動試驗期間對其性能進行了測試，獲取了航天器典型結構的力學環境數據并進行了頻譜分析。將該系統測量數據與試驗中載人航天器平臺測點的測量數據進行了比對，結果驗證了該系統的有效性，為載人航天器載荷條件的制修訂提供了參考。

關鍵詞：載人航天器；在軌力學環境；測量系統；試驗研究

0 引言

大型載人航天器在上升段將經歷全新器箭耦合特性下復雜的載荷條件。若能夠獲取上升段載人航天器艙體結構的力學響應，將對后續載人航天器載荷條件優化、結構長壽命設計、力學仿真和試驗提供有利數據[1-4]。

在某大型載人航天器地面振動試驗期間，對所設計的在軌力學環境測量系統進行測試。本文將力學測量系統所采集得到的數據與型號平臺力學試驗數據進行比對，以驗證該系統采集數據的有效性。

1 在軌力學環境測量系統

在軌力學環境測量系統是通過布置在航天器艙壁與艙內的傳感器，來監測發射段與在軌段艙體典型結構受到的振動及沖擊響應。通過對采集數據的分析處理，可獲得載人航天器艙體結構的力學響應特性，形成密封艙體結構的載荷譜。

系統由傳感器、采編單元與電纜組成（見圖1）。傳感器用于采集振動、沖擊加速度信號。采編單元對采集到的信號進行編碼、存儲和通過以太網傳輸至交換機，并下傳至地面，供地面人員進行數據分析。采編單元在發射前、發射段以及在軌期間的定時開機、關機通過數據注入來控制；該單元由器上電源供電，并利用DC/DC變換器進行電壓變換。電纜用于各單元之間的信號及供電傳輸。

圖1　力學環境測量系統組成框圖Fig. 1 Configuration of load environment measurement system

2 振動試驗及測試結果分析

2.1試驗目的

在載人航天器振動試驗期間，對力學環境測量系統進行了測試，目的有：

1）獲取試驗期間載人航天器艙體主結構的力學響應特性；

2）將該系統的試驗測量數據和與載人航天器平臺位置相近的測點數據進行比對，驗證二者數據的一致性；

3）將分析處理后的測量數據與平臺試驗數據進行比對，驗證該系統的有效性。

2.2測點布局

力學環境測量系統共有60個傳感器，180路模擬通道。為驗證該系統的有效性，傳感器在載人航天器主要結構部位的布局位置與平臺的試驗測點布局位置基本一致。該系統在載人航天器平臺力學試驗期間進行加電測試，采集結構的力學響應。表1給出了部分力學環境測量系統傳感器與平臺測點的布局位置及對應關系。

表1　力學環境測量系統部分測點的位置及與平臺測點位置的對應關系Table 1 Position of some testing sensors of the load environment measurement system and their corresponding measurement points of the spacecraft

2.3試驗條件

某大型載人航天器振動環境試驗程序為沿y、z、 x三個方向分別進行正弦振動試驗，同一方向試驗分別進行特征級、驗收級與鑒定級試驗。下面以對鑒定級試驗數據進行分析為例。鑒定級試驗條件如下：

2）掃描幅值變化規律，如表2所示。

表2　正弦振動試驗條件(0～P峰值)Table 2 Sine vibration test condition (0～P peak value)

2.4分析原理和方法

采用兩種方法對力學環境測量系統所采集的數據與載人航天器平臺測點數據進行分析：

1）利用相關度分析方法分析系統所采集的數據與平臺測點數據的相關性；

2）利用時-頻分析方法分析響應信號隨時間的變化關系。

2.4.1相關度分析方法

相關系數是反映兩個變量之間相關關系密切程度的統計分析指標。

如果有兩個變量X、Y，最終計算出的相關系數的含義為：

1）當相關系數為0時，兩變量為非相關；

2）當X值增大（減小），則Y值增大（減小）時，兩變量正相關，相關系數在0.00與1.00之間；

3）當X值增大（減小），則Y值減小（增大）時，兩變量負相關，相關系數在-1.00與0.00之間。

相關系數的絕對值越大，則兩變量的相關度越強。通常情況下，可通過相關系數的取值范圍來判斷兩變量的相關度，如表3所示。

表3　相關系數和相關度的關系Table 3 Relationship between relative coefficient and degree of correlation

該系統的測量數據和平臺測點數據是兩組相互獨立的量，兩組變量的觀測值是成對出現的，在這里采用皮爾遜相關系數計算方法對兩組數據的相關度進行計算，

式中：ρX,Y為相關系數；N為時頻分析圖中所有數據點的個數。

2.4.2時-頻分析法

時-頻分析方法提供了時間域和頻率域的聯合分布信息，描述信號頻率隨時間變化的關系。

根據正弦試驗原理，在（fL, fH）頻帶內的對數掃描，掃描頻率f隨時間t變化的關系可表示為[5-7]

式中：R為單位時間掃描頻率倍頻程增量；β為單位時間對數頻率變化率，β=Rln2 。

通過該方法計算得到信號頻率隨時間變化關系，從而分析信號在不同頻率下的能量分布隨時間的變化情況。

2.5數據處理方法

對正弦掃描振動試驗數據處理時，首先應得到時域信號的頻率信息，即頻率跟蹤辨識。本文采用短時傅里葉變換（STFT）進行頻率跟蹤辨識，即對輸出信號進行采樣，采集整周期信號，然后用STFT算法計算每個通道響應信號所處周期內的各響應點的頻率。具體計算方法如下：

1）加窗

加窗的目的是為了降低自時域窗有限信號非周期、非整周期等原因引起的頻譜泄漏問題。STFT方法也即窗口傅里葉變換，是將信號分成許多很小的時間間隔，用傅里葉變換分析每一段時間間隔，以便確定該時間間隔存在的頻率，其表達式為

式中：g(t)是有緊支的函數；f(t)是被分析的時域信號。在變換中e-jωt起著頻限作用，g(t)起著時限作用。隨著時間τ的變化，g(t)所確定的“時間窗”在t軸上移動，使f(t)“逐漸”被分析。

2）傅里葉變換

對于離散時間序列信號，X(t)=X(n?t), (n= 0,1,2,…,N-1)，其離散傅里葉變換為

式中：k為傅里葉變換中所取的實部個數，k=0,1,2,…,N/2-1；為子樣均值為0的第m幀離散時間序列；Xk,m,R為Xk,m的實部分量；Xk,m,I為Xk,m的虛部分量。

本文中N取211=2048。

2.6試驗結果及分析

2.6.1試驗結果

按照表1所示取4組測量數據與平臺數據進行比對。對數據分析和處理后，獲得4組數據的頻域曲線以及時-頻分析結果，如圖2～圖5所示。

圖2　測點D1和P1的x向時頻分析Fig. 2 Time-frequency analysis at measurement points D1 and P1 in x direction

圖3　測點D2和P2的y向時-頻分析Fig. 3 Time-frequency analysis at measurement points D2 and P2 in y direction

圖4　測點D3和P3的y向時-頻分析Fig. 4 Time-frequency analysis at measurement points D3 and P3 in y direction

(a) D4與P4的z向頻域曲線

圖5　測點D4和P4的z向時-頻分析Fig. 5 Time-frequency analysis at measurement points D4 and P4 in z direction

2.6.2結果分析

1）數據相關度分析

4組數據的相關度分析結果如表4所示。由表4可見，鑒定級試驗中，力學環境測量系統所采集的數據與載人航天器平臺數據的相關系數均在0.98以上，相關度均為極強。這說明力學環境測量系統測得的數據是可信而有效的。

表4　頻域曲線相關性分析結果Table 4 Correlations of frequency responses

2）時-頻分析

以測點D1和P1的數據為例，其時-頻分析結果見圖2(b)和圖2(c)，其中：橫坐標是時間，縱坐標是頻率，反映了信號的能量分布隨時間的變化情況；時-頻分析曲線的顏色反映出對應某一時刻的響應在某一頻率附近的積聚程度，且與顏色深淺成比例。振動試驗過程中，激勵頻率由接近5Hz掃描至100Hz，因此結構對應某一具體時刻的響應能量便聚集在該時刻所對應的激勵頻率附近，這一關系由時-頻分析曲線中最下端的紅線體現。圖2中其他位置上出現了暗紅色線條，表明了測量系統中的不同頻率諧振信號的影響（測量信號未經過濾波）；與結構的實際響應信號相比，諧振信號的能量低很多。

從時-頻分析結果可看出：最下面的一條紅線的變化趨勢符合式(2)的指數變化關系；在接近第140s時，D1的響應信號的頻率達到100Hz，而P1的響應信號的頻率同樣在接近140s時達到100Hz。這說明二者的數據一致性較好。

3 結論

本文對力學環境測量設備采集到的相關數據進行了處理，分別利用相關度分析法、時-頻分析法對結果進行了分析，并與平臺相應測點的數據進行比對，驗證了力學測量系統采集數據的有效性。試驗得出了以下結論：

1）力學傳感器測量系統測量數據與試驗中平臺測點測得數據的相關度分析結果表明，該系統可有效采集載人航天器力學試驗的振動響應數據；

2）從力學傳感器測量系統與平臺測點所采集信號的時-頻分析圖可以看出，二者的時-頻分析圖中均含有諧振信號，這說明振動過程中存在結構的非線性因素。

本文的研究成果為該系統在載人航天器的在軌應用奠定了基礎，可用于載人航天器在軌力學環境的測量，監測航天器發射、在軌運行及返回期間的動力學響應特性，為后續航天器結構設計與優化、載荷條件的修訂以及結構的損傷容限與壽命分析提供參考。

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（編輯：許京媛）

Experimental study of orbital environment measurement system for manned spacecraft

Yin Zhao1, Hou Xutao2
(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2. Space Star Technology Co. Ltd., Tianjin 300000, China)

Abstract:In order to acquire the mechanical environment data in launching and on orbit section of a manned spacecraft, an orbital environment measurement system for the spacecraft is designed and tested in the vibration experiment, and the mechanical environmental data of the representative structure of the manned spacecraft is acquired and analyzed in the frequency domain. A comparison is made between the data of the measurement system and the data of the manned spacecraft in the vibration experiment. The result verifies the availability of the system. The research provides a reference for the formulation and revision of the orbit condition of the manned spacecraft.

Key words:manned spacecraft; in-orbit mechanical environment; measurement system; experimental study

作者簡介：尹 釗（1986—），男，碩士學位，主要從事載人航天器總體設計工作。E-mail: yinzhao08@126.com。

基金項目：國家重大科技專項工程

收稿日期：2015-08-17；修回日期：2016-01-20

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.017

中圖分類號：V416.8

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0095-05