Testy wibracyjne


Nazwa projektu: Wyznaczenie parametrów strukturalnego modelu MES w analizie modalnej i harmonicznej
Odbiorca: Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (projekt badawczy nr N501 014 32/1531)
Kierownik projektu: P. Wawer
Uczestnicy projektu: R. Pietrzak, K. Seweryn
Status: zakończono



Instrumenty pracujące w kosmosie narażone są na największe obciążenia w trakcie startu rakiety. Źródłem tych obciążeń są wibracje i szoki generowane przez rakietę w trakcie startu i odczepiania kolejnych członów silnika rakietowego. Stąd też konstrukcja poszczególnych systemów jest rozbudowana i skomplikowana technicznie. Ponadto wymaga wykonania licznych testów, wśród których testy wibracyjne należą do podstawowych.

Testy wibracyjne muszą wykazać odporność instrumentu na obciążenia dynamiczne. Ponadto muszą wykazać, że instrument nie posiada częstotliwości rezonansowych w zakresie od 0 do 100 Hz, ponieważ drgania generowane w czasie startu rakiety w tym zakresie są szczególnie groźne. Konstrukcja zorientowana na te czynniki powinna w trakcie projektu być wielokrotnie testowana. Nie znając właściwości dynamicznych konstrukcji na poszczególnych etapach projektowania, możemy narazić się na zniszczenia kolejnych układów, a tym samym na wysokie koszty oraz długie czasy realizacji.

Rozwiązaniem może być tu tworzenie modeli MES instrumentu i symulacja jego zachowania przy obciążeniach wibracyjnych, przed finalnym, doświadczalnym jego badaniem. Tworzenie wiarygodnego modelu MES wymaga uwzględnienia współczynników tłumienia symulowanego układu. Ze względu na ścisłą zależność tych parametrów od właściwości materiałowych i konstrukcyjnych, nie są one uogólnione i powinny być wyznaczane w odniesieniu do konkretnego przypadku.

Celem projektu było doświadczalne wyznaczenie współczynników tłumienia dla modułów elektroniki, wykorzystywanych w misjach kosmicznych. Wyznaczenie tych parametrów pozwoli na stworzenie dokładnych i wiarygodnych modeli MES badanych układów. Modele te były później porównywane z wynikami badań wykonanych na maszynie wibracyjnej, znajdującej się w Centrum Badań Kosmicznych. Wykonane analizy pozwolą na weryfikację wykonanych modeli oraz na opracowanie kryteriów i wytycznych przy testowaniu i konstrukcji tego typu urządzeń.

Przykładowy układ zasilacza składa się z zespołu aluminiowych ramek oraz płytek elektroniki. Współczynniki tłumienia są zależne od rodzaju płytek oraz rozmieszczenia na nich elementów elektronicznych. Ze względu na istniejące standardy konstrukcyjne tych układów możliwe jest uogólnienie wyznaczonych parametrów na szerszą klasę układów elektronicznych stosowanych w instrumentach kosmicznych.

Zrealizowany projekt dzięki ograniczeniu go do grupy standardowych układów pozwala przeanalizować i rozwiązać problem estymacji współczynników tłumienia. Ze względu na występującą standaryzację modułów elektroniki w misjach kosmicznych możliwe jest określenie wytycznych do ich projektowania i analizy.
Istotne jest również poza badawcze znaczenie projektu. Po pierwsze stworzenie dokładnego modelu MES umożliwia większą elastyczność procesu projektowania i testowania instrumentu, a tym samym, jak już wspomniano wcześniej, ogranicza koszty i czas realizacji projektu. Model może być także wykorzystywany do symulacji zachowania instrumentu na orbicie, już po jego wystrzeleniu.

Nie bez znaczenia jest również fakt, że model MES jest wymagany przez Europejską Agencję Kosmiczną praktycznie do większości wynoszonych w przestrzeń kosmiczną instrumentów. Tak więc rozwijanie metodyki metod symulacyjnych stanowi wyjście naprzeciw oczekiwaniom i wymaganiom stawianym przez Europejską Agencję Kosmiczną dla przyszłych projektów.

Zakres prac badawczych i doświadczalnych objął:
- wyznaczenie współczynników tłumienia 0 α i 1 α (masowy i sztywności współczynniki tłumienia) poprzez optymalizacyjne dopasowanie modelu do referencyjnych pomiarów,
- wykazanie zgodności modelu z pomiarami tensometrycznymi,
- wyznaczenie warunków brzegowych do testów wibracyjnych w przypadku pomiarów poszczególnych podzespołów,
- przygotowanie wskazówek dla inżynierów elektroników odnośnie optymalnego pod względem wytrzymałościowym rozmieszczenia podzespołów elektronicznych na płytkach elektronicznych.

Badania z wykorzystaniem maszyny wubracyjnej
Model MES wykorzystany do analizy numerycznej