风云之声: 振动力学—航天强国建设最需要的专业技术 |2020-1-12

2020年1月12日10:04:35 发表评论
  • 写来写去,论证的很不充分,但希望可以抛砖引玉
你心目中,当前中国航天(特指火箭,下同)最需要的专业技术是什么?
 
这个问题很大,不仅不好回答,甚至就不该写。因为大家最讨厌的就是大领导讲具体问题,以及小啰啰谈大事。
 
这里面的中国航天最需要等字眼,没有一个不大的。因此笔者加了“心目中”几个字缓解一下,希望能稍微弱化具体问题和大事的区分。
 
那么具体怎么选择呢?且用三个要素,一是“有普遍需要”,二是“能快速推广”, 三是“未熟练掌握”。
 
第一是“有普遍需要”。每个领域都有每个领域的知识,各行各业及各个阶段都有最迫切的问题,只有对标自己领域、自身需要,才能给出精确定位。譬如生物科学,满足第二和第三,但它不属于火箭的范畴。其它类似人工智能、区块链等很多新技术,火箭不需要进行基础研究,甚至不需要这门技术,也不作为候选。此外,对于具体的某个部门或某个特定产品,最缺什么专业,哪个专业就是最需要的,但它不是普遍的需求,因此也不作为候选。
 
第二是“能快速推广”。这里首先技术方向要正确,不能出现本质性错误;其次技术难度不能太大,学科建设周期不是特别漫长,如材料体系、超燃冲压发动机、高超声速空气动力学等,虽代表未来,但需长远布局,短期无法见效,此处也不作为候选;技术还需具备一定的广度和复杂度,否则难以进化,满足更为广泛的需求,譬如很多单项技术尽管重要,但难以在各领域推广,此处也不作为候选。
 
第三是“未熟练掌握”。当某项技术被攻克,且形成了一道道可操作的稳定工序后,这项技术就形成了今天科技的一部分。譬如曾经姿态控制是一项很难的技术,A-3火箭试验表明其时的控制系统连微风都不能对付,为此冯•布劳恩研制了一枚完全新型的A-5火箭用于测试试验系统。但对于如今的运载火箭,基本的姿态控制已无任何难度。类似弹道、制导、姿控等目前已成熟的专业,此处不作为候选。
 
在这三条约束下,经过考虑,笔者将这个专业定位到“振动力学”。
 
物理量有大有小地反复变化就是振动,振动无处不在,荡秋千是振动、声音是振动、每天上下班也是振动。若这个物理量是位移、速度、加速度等力学量时,譬如火箭发动机喷管内的振动,箭体结构的弹性振动等等,研究这种振动的学科就是振动力学。
 
这里聊一聊振动力学在航天上的意义、内容和方法。其中意义代表“有普遍需要”,内容代表“能快速推广”,方法代表“未熟练掌握”。
振动力学在航天上的意义
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(1)从长征一号到长征五号,我国运载火箭从10吨级走向30吨级,从30吨级到百吨级,再从百吨级走向千吨级,随着运载器越来越大,火箭柔性越来越强,动态问题凸显
 
当系统增大时,系统柔性变大,产生耦合振动的可能性变大,出现了如土星V火箭的F-1发动机燃烧不稳定性问题和Delta 3火箭首飞时振荡性滚转问题等。(《2018观点总结:SpaceX民营火箭都上天了,做火箭难不难?》
 
以“东风二号”导弹为例,它是我国自行设计的第一型弹道导弹,但首飞失利,原因之一是没有考虑导弹弹体是弹性体,飞行中弹体会作弹性振动,与姿态控制系统发生耦合,导致导弹飞行失控。后运用弹性理论描述了火箭横向固有的弹性振动,并代入飞行稳定方程式组分析,找到了失败原因。
 
(2)随着新一代运载火箭和卫星首飞,中国航天迈入航天强国建设阶段,此阶段的标志是火箭从功能到性能的提升,从静态过度到动态是重要一环
 
航天大国解决的是有无问题,满足的是功能,而航天强国的标志是极致,满足的是性能。航天本就是追求极致的学科,航天强国的要求则是精上加精,其中一个标志是从静态指标上升到动态指标。
 
以下摘自央视网“中国航天员太空亲历促进神舟优化改进” (http://news.cctv.com/china/20080924/106688.shtml):“神五”飞行中,在火箭抛掉逃逸塔之后近10秒钟的时间里,强烈的振动让杨利伟感到非常难受...发射“神六”的火箭采用新的计算方法,大大减小了振动。费俊龙、聂海胜说,他们几乎没有感觉到振动...发射“神七”飞船的这一枚火箭上,他们采用了变能量蓄压器的新技术来抑制振动,从而彻底解决了这个问题,大大提高了火箭的舒适性。
 
以下摘自《东五平台,为什么说你比肩国际一流?》:东五平台其载荷相机口径比哈勃望远镜还要大,若加装在这样的承力筒上,“大高个”身型易产生震动,无疑会使相机力学环境变差。于是,研制团队对东五平台首次采用全桁架结构设计,将主承力结构高度降为1.78米。桁架式主承力结构的研制是东五平台开发成败的关键之一
 
(3)振动信号包含了丰富的信息,在确定指标、系统参数、故障诊断等领域将发挥越来越重要的作用
 
与文字、单参数、图像相比,振动信号中包含了更为丰富的局部和全局信息,譬如我们可以通过拍西瓜知道其好坏,从拍金属是否清脆知道其是否存在裂纹缺陷,用回波进行石油勘探等。甚至可以说,系统的振动给出了其全息图
 
热泪盈眶!“胖五”重生》:2019年4月,在长征五号遥三火箭的总装工作进入到最后阶段时,一台用于后续任务的芯一级氢氧发动机在试验数据分析过程中出现“异常振动频率”。研制人员顺藤摸瓜,找到了症结所在。
 
2015年6月28日,在Falcon 9火箭发射升空后上面级支撑压力容器的一根支柱发生断裂,导致压力容器释放大量氦气到液氧储罐,最终因压力过大发生爆炸。据称事故的分析就是从箭上振动传感器采集的信号反演得到。
振动力学在航天上的内容
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工程中将振动问题研究的对象称为系统,外界输入称为激励,激励作用于系统后产生的振动称为响应。用手去摇树,树是系统,摇的动作是激励,树被摇动了则是响应。
从系统、激励、响应三个方面可将振动力学研究分为三个类别,在运载火箭设计上均有着广泛应用。
(1)用于基本设计的正问题:已知系统和激励求响应
 
一类最基本的问题,是已知系统和激励,求响应。譬如火箭竖立在发射台上,在风载下的变形、晃动频率和幅度,它在载荷设计、姿态稳定设计等均具有重要作用,类似的还有贮箱推进剂的晃动等。这种问题是正问题,是振动力学最简单的形式。
 
(2)天地一致性的抓手:已知系统和响应求激励
 
还有一类是已知系统和响应,求激励。在运载火箭领域可用于天地一致性分析。譬如飞行时大气作用在火箭上的脉动压力载荷,这种载荷在地面无法测量也难以确定,一般采用保守设计。在飞行时可贴上一些传感器提取箭体的响应,然后反算出激励,用于校正设计。这里是一种反问题,可称为环境预测。其求解比正问题求解要困难,因为实际载荷是一个场,且具有一定的随机性,因此是一个不适定的反演问题,需要通过多发任务采集综合提取。
 
(3)提高对系统认识的利器:已知激励和响应求系统
 
另外一类是已经激励和响应,求系统。这类问题在运载火箭领域有着极其特殊的意义,设计靠它,故障分析靠它。
 
运载火箭是一个典型的弹性体,姿态控制系统设计时需要知道火箭的弹性特性。它通过模态试验获取,采用激振器作用到箭体上,然后采集箭体特征点的振动频率、幅值和相位,最后采用模态修正的方法得到准确的箭体弹性模型,这是一个典型的已知激励和响应求系统的过程。
 
即使激励未知,响应中也包含了丰富的系统信息,譬如前面所说的CZ-5的异常频率等,就是系统固有特性的一种表现。如果将火箭系统看成一个“黑箱”,通过采集各种振动数据,可以反过来推测火箭系统特性,是否存在缺陷等。这种从响应求系统的过程,也是振动的一种逆问题,称为系统识别问题
振动力学在航天上的方法
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振动学科意味着对于问题本质的抽象和把握,且具有典型的跨学科特征,暂时没有通用软件,对从业人员素质提出了很高要求
 
运载火箭需要用到大量力学知识,其中轨道动力学、结构力学、流体力学的工程应用,很多与我们在书本上所学相近,且现在由于商用软件的强大,即使理论知识积累不足,仍能使用软件分析问题。譬如用STK分析轨道运动,用Abaqus计算结构受力,用Fluent计算流场等。
 
但振动力学相关问题,很少有直接使用弹簧系统等书本知识就能解决的,而且没有一款商业软件,可以不经问题抽象直接建模振动模型,获悉系统振动规律。譬如前述的导弹弹性振动问题,需要建立带弹性振动的导弹姿态运动方程进行求解;如杨利伟经历的振动问题,需要建立全箭纵向耦合振动方程进行求解;如Falcon 9的飞行故障,需要建立压力容器在液体中上浮模型进行反演分析等。这些目前尚没有商业软件可以直接建模求解,需手动建立多种专业模型对问题进行抽象,因此对从业人员素质提出了很高的要求。
 
为了在航天上更好地应用振动力学,该用什么样的方法呢?笔者再次发扬“谈大事”的坏毛病,提些建议:
 
1)成立振动力学专家组,定期发布火箭相关振动力学问题集,积极申报国防973或其他基金类项目
集合系统内振动力学领域专家,并聘请国内振动力学、晃动、转子动力学方面的顶级专家作为顾问,成立专家组,整理国内外火箭相关振动力学问题集,编写启示录,提炼设计方法,定期发布。针对其中的疑难问题,以“运载火箭振动力学基本问题”、“运载火箭振动力学逆问题”等为题,积极申请国防973或其他基金类项目,予以集中攻克。
 
2)开展振动力学培训,提高型号队伍振动力学修养,建立振动分析相关工作步骤
对于与结构打交道的设计人员,组织专业培训,在振动力学上“会点正问题,珍视逆问题。”
 
会点正问题,指掌握振动力学的一般概念和方法,了解固有频率和振型概念,具备区分自由振动、受迫振动、自激振动等能力,对系统耦合具备一定的鉴别力和判断力(推荐倪振华的《振动力学》)。
 
珍视逆问题,指注重从频谱角度分析已有数据,对异常频率具有一定的敏感性(推荐纽兰的《随机振动和谱分析概论》)。通过总结提炼,形成一部分通过频谱分析判断系统是否异常的标准和方法。
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