L'imperativo della vibrazione e del controllo acustico per la sopravvivenza del carico di lancio

La creazione di un satellite, di un veicolo spaziale o di uno strumento scientifico in orbita rappresenta uno degli eventi più meccanicamente violenti che un oggetto umano abbia mai sperimentato. Dal momento dell'accensione fino alla separazione delle operazioni di eliminazione delle vibrazioni, il carico di paga è sottoposto ad una brutale combinazione di vibrazioni ad alta resistenza, di una pressione acustica intensa e di carichi di shock transienti.

La Fisica delle Vibrazioni e degli Acoustics indotti dal lancio

Fonti e caratteristiche del carico dinamico

I veicoli a lancio generano due tipi principali di eccitazione meccanica: vibrazioni e rumore acustico. La vibrazione deriva direttamente dal sistema di propulsione: l'instabilità della combustione, la rotazione delle turbine e le fluttuazioni di spinta dei motori a razzo producono vibrazioni casuali a banda larga che si propagano attraverso la struttura del veicolo.

Coupling dinamico e trasmissibile

L’interfaccia di lancio di un sistema di calcolo basato su un’interfaccia di tipo “rischio” (con un sistema di separazione a banda di morsetto) definisce il modo in cui si trasmette la vibrazione. La funzione di trasmissibilità — il rapporto tra le vibrazioni di uscita all’interfaccia di carico a carico del veicolo — è governata dalla rigidità, dalla massa e dalle caratteristiche di smorzamento dell’intero sistema di coppia.

Impatto di Vibrazione e Acoustics incontrollati sull'integrità del carico di paga

Fallimenti meccanici e fatigini strutturali

Le tensioni indotte dalle vibrazioni risonanti possono superare la resistenza alla resa dei componenti leggeri: si pensa alle fratture di staffa, alla rottura del circuito o alla delaminazione dei pannelli compositi. Le vibrazioni casuali, anche a ampiezza moderata, provocano una stanchezza a basso ciclo rispetto alla tipica durata di 10-15 minuti di salita.

Disallineamento ottico e sensoriale

I telescopi spaziali, gli strumenti di osservazione della terra e i terminali di comunicazione laser si basano sull'allineamento micron-level di specchi, lenti e rivelatori. La vibrazione durante il lancio può spostare questi componenti in modo permanente. Anche se non si verifica una deformazione permanente, il disallineamento transitorio può causare lo strumento per perdere il blocco su un tracker stellare o un riferimento di calibrazione durante gli eventi di separazione critica.

Affidabilità elettronica e dati

Le vibrazioni incontrollate possono causare connessioni elettriche intermittenti: un perno sciolto potrebbe mettersi in contatto durante i test di banco ma rompersi durante la fase di vibrazione ad alta frequenza. L'energia acustica ad alta frequenza può portare ad eccitazione piezoelettrica nei cristalli di quarzo (utilizzata nei circuiti di temporizzazione), causando jitter di frequenza o guasto di uscita.

Strategie di controllo ingegneristico per la vibrazione e la gestione acustica

Tecnologie di smorzamento passivo della vibrazione

Ammortizzatori viscoelastici

L'approccio passivo più ampiamente utilizzato è l'uso di materiali viscoelastici (VEM) che convertono l'energia meccanica in calore attraverso l'attrito molecolare. Questi materiali sono applicati come fogli di smorzamento a strati liberi (incassati direttamente a superfici strutturali) o smorzamento a strati di umidità a strati (uno strato VEM integrato tra uno strato di contenimento rigido).

Ammortizzatori di massa sintonizzati

Quando una specifica modalità strutturale è problematica, come un'ala di array solare o un grande riflettore di antenna, vengono impiegati ammortizzatori di massa sintonizzati (TMD) e un sistema di ammortizzatore di massa sintonizzato alla frequenza di risonanza della modalità di destinazione.

Strato e datore di lavoro a strati libero

L'umidità a strati libero, aggiungendo un materiale denso e smarrito direttamente alla superficie, aggiunge massa ed è il migliore per le modalità ad alta frequenza. L'umidità a strati (CLD) offre una maggiore efficienza per massa unitaria. Il CLD è comunemente applicato alle piastre di montaggio a circuito stampato, agli anelli di adattamento del veicolo di lancio e alle strutture di supporto del carico payload.

Sistemi di isolamento

I sistemi di isolamento a bassa frequenza devono essere utilizzati con un sistema di imposizione (ad esempio, le configurazioni di tipo CSA Engineering/ACRI) per ridurre la frequenza fondamentale del carico di carico al di sotto delle frequenze di eccitazione del veicolo dominante.

Tecniche di mitigazione acustica

Acritico di affilare i coperchi

I principali mezzi di riduzione dei livelli acustici all’interno dell’affinamento dei carichi sonori sonori sonori sonori: una schiuma porosa a celle aperte (melamina o poliimide) e un septo pesante (lastra di gomma o silicone densa) per bloccare la trasmissione del suono. Le coperte sono appese sulle pareti di carenaggio, formando un trattamento acustico che riduce il campo di reverberant raggiunto.

Helmholtz Resonatori e Cavities Tuned

Per i picchi acustici a banda stretta (ad esempio, armoniche a tono motore), i risonatori Helmholtz possono essere integrati nella struttura di carenatura. Queste sono cavità con una lunghezza del volume e del collo specifica che si comportano come un sistema di massa-spring, assorbendo l'energia acustica alla frequenza di progettazione.

Barriera e Baffles acustici

Oltre all’assorbimento, le barriere impediscono percorsi acustici diretti. I baffle in alluminio rivestito in schiuma sono posizionati tra il carico utile e il piano di separazione delle porte. Per i carichi con aperture di grandi aperture (ad esempio, telescopi), le coperture acustiche rimovibili vengono installate durante il lancio e gettate dopo l’inserimento dell’orbita.

Ottimizzazione della progettazione strutturale del carico di pagamento stesso

La migliore strategia di controllo sta progettando il carico utile per essere intrinsecamente robusto.

  • Inserimento dei moduli[]: Assicurare le prime frequenze naturali del carico di paga e i suoi componenti sono al di sopra delle frequenze del veicolo fondamentali (in genere >30 Hz per i satelliti di piccole dimensioni, >15 Hz per quelli di grandi dimensioni). Questo evita l'accoppiamento di risonanza.
  • Irrigidimento locale[[]: Aggiunta di costole, doppie o rinforzi a base di panino per aree soggette ad alta risposta alle vibrazioni, come ad esempio le linee di cerniera del pannello solare o flange di montaggio dello strumento.
  • Distribuzione del materiale[[]]: Posizionamento dei componenti pesanti (batterie, ruote di reazione) vicino al centro di carico di gravità per ridurre le modalità di doratura.
  • Progetto di salvataggio[[]: Usando inserti di bloccaggio, bloccaggio filettato e di bloccaggio della posta in gioco per i dispositivi di fissaggio per evitare l'allentamento sotto le vibrazioni.

Test e verifica: Prove dei lavori di progettazione

Vibrazione casuale e Sine Sweep Testing

Ogni payload destinato al lancio deve essere sottoposto a test di qualificazione o di accettazione delle vibrazioni. I livelli di prova sono derivati dall’analisi dei carichi accoppiati e sono specifici per il veicolo di lancio e la posizione del carico di paga nello stack. Un tipico test casuale applica uno spettro che avvolge gli ambienti di lancio previsti con un margine (solitamente +3 dB per la qualificazione, +0 dB per l’accettazione).

Test acustici nelle camere riverberanti

Grandi carichi di pagamento e sezioni di carenaggio sono testati in enormi camere acustiche che imitano l'ambiente di lancio-suono. Le pareti della camera sono rivestite con superfici dure e riflettenti, e altoparlanti ad alta potenza o corna acustica generano un campo sonoro diffuso con livelli complessivi fino a 150 dB. Il carico di lavoro è gestito in modo rappresentativo per verificare che non si verifichino guasti indotti dall'acustica - critici per i meccanismi di distribuzione dell'arra solare, la durata di test, le cerniere di fase ottica, i tempi di tipicamente di tempo di tipicamente di accoppiamento di accoppiamento di accoppiamento, i tempi di accoppiamento di accoppiamento di tipicamente 2.

Test di vibrazione e vibrazione commesse

Per evitare questo, gli ingegneri utilizzano “notching” — riducendo l’ingresso alle frequenze in cui il carico utile sarebbe esperienza di risposta eccessiva a causa di un accoppiamento dinamico. La forza limitata (FLV) è un metodo più avanzato in cui i trasduttori di forza nell’interfaccia di prova misurano le forze di reazione e l’ingresso è limitato a non superare la forza di volo-predicted 700F.

Standard di settore e migliori pratiche

L’industria spaziale ha codificato le vibrazioni e il controllo acustico in standard rigorosi. La NASA-STD-7001A (Payload Dynamic Environment) e la Cooperazione Europea per la Standardizzazione dello Spazio (ECSS‐E‐ST‐32‐21C) definiscono i livelli di test, i metodi di analisi e le procedure di verifica.

Le direzioni future in Vibrazione e Controllo Acoustic

Le aziende di controllo delle vibrazioni tradizionali (in inglese) sono più piccole e più sensibili (in particolare i satelliti e i cubiti) e richiedono un'innovazione.

Conclusioni

La vibrazione e il controllo acustico sono una sfida di ingegneria interdisciplinare che richiede una profonda comprensione delle dinamiche strutturali, della scienza materiale e dell'ingegneria di prova. Dal punto di vista dello scarico ad alta temperatura, il motore a razzo al giunto microscopico di saldatura su un circuito, ogni elemento del sistema di lancio accoppiato deve essere analizzato, smorzato, isolato, o schermato.