一种月面软着陆力学环境的分频段试验模拟方法

技术领域

本发明属于环境模拟试验的技术领域，具体涉及一种月面软着陆力学环境的分频段试验模拟方法。

背景技术

月面软着陆力学环境是月球软着陆探测器所经历的一种瞬态冲击力学环境。为了确定着陆过程中着陆探测器上各关键部位和组件安装处的响应情况，保证探测器组件承受月面软着陆力学环境并能正常工作，需要开展月面软着陆力学仿真分析和地面试验，得到的分析和试验数据作为制定器上组件力学试验条件的主要依据。

原始的分析和试验数据为探测器各关键部位或组件安装处的瞬态加速度响应数据，一般采用改进的递归数字滤波算法将其转化为冲击响应谱，转化过程中需根据实际结构特性选取阻尼比和放大因子，一般取阻尼比ζ＝0.05，放大因子Q＝1/2ζ＝10。冲击响应谱的横轴为频率，纵轴为响应幅值，表征的是对应固有频率的单自由度振动系统在该瞬态加速度激励作用下的最大响应。

冲击响应谱可以直接用于制定冲击试验条件。冲击试验条件一般由起始频率、上升斜率段、拐点频率、平直段和截止频率组成，受到冲击试验设备控制能力限制，起始频率一般为100Hz，拐点频率为800Hz左右，截止频率能达到4000Hz左右，拐点频率低于300Hz的冲击试验通常难以实施。因此，冲击试验适用于模拟高频瞬态冲击力学环境，例如火工品爆炸引起的冲击环境。

月面软着陆力学环境比较特殊，由于着陆缓冲装置的缓冲和滤波作用，高频响应被削弱而中低频段会存在较大响应，不同于火工品爆炸引起的高频瞬态冲击环境。图1为典型的月面软着陆力学响应和爆炸冲击响应(冲击响应谱，Q＝10)对比，可见一般用来模拟爆炸冲击环境的冲击试验不能很好地模拟月面软着陆力学环境：在高频段会出现过考核，而在低频段会出现欠考核。因此，有必要针对月面软着陆力学环境开展深入研究，提出更为合理的试验模拟方法。

针对月面软着陆力学环境的试验模拟为国内首次进行，无成熟经验可以借鉴。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种月面软着陆力学环境的分频段试验模拟方法，能够解决单一的冲击试验不能完全覆盖中低频段月面软着陆力学环境的问题，确保全频段的月面软着陆力学环境能够得到充分的试验验证。

实现本发明的技术方案如下：

一种月面软着陆力学环境的分频段试验模拟方法，将月面软着陆力学环境通过冲击试验、正弦振动试验和加速度试验来分频段等效模拟。

进一步地，具体包括以下步骤：

步骤一、将通过分析或试验获得的月球软着陆探测器关键部位或组件安装处的瞬态加速度响应数据转换为冲击响应谱；

步骤二、制定冲击试验条件包络冲击响应谱的中高频段，若已有针对火工品爆炸冲击环境的冲击试验条件，则取两者较大值进行探测器组件冲击试验；

步骤三、制定正弦振动试验条件等效包络冲击响应谱的低频段，等效公式为S＝QA，其中S为等效冲击响应谱，Q为放大因子，A为正弦振动试验条件，若已有针对运载发射段环境的正弦振动试验条件，则取两者较大值进行探测器组件正弦振动试验；

步骤四、制定加速度试验条件等效包络小于等于10Hz频段的月面软着陆力学环境，等效公式为S＝L，其中S为等效冲击响应谱，L为加速度试验条件稳态值，按该条件进行探测器组件加速度试验。

进一步地，所述中高频段为：(100Hz，4000Hz)；所述低频段为：(10Hz，100Hz]。

进一步地，在试验条件制定过程中需按相关标准考虑一定的安全系数，确保鉴定试验条件包络极限预示环境值、验收试验条件包络最高预示环境值。

进一步地，采用改进的递归数字滤波算法将所述瞬态加速度响应数据转化为冲击响应谱。

有益效果：

本发明基于对月面软着陆力学环境的深入研究，将其处理成冲击试验、正弦振动试验和加速度试验等常规试验手段可以等效模拟的形式，无需为此研发新的试验设备或对试验设备提出更高的性能要求。

本发明方法在确保月面软着陆力学环境能够被模拟试验条件全频段覆盖的前提下，最大程度地降低了试验成本和试验难度，工程应用可行性强，已成功应用于嫦娥三号、嫦娥四号和嫦娥五号月球着陆探测器的研制过程中。

附图说明

图1为典型的月面软着陆响应和爆炸冲击响应对比示意图。

图2为月面软着陆力学环境分频段试验模拟的包络性分析示例。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的月面软着陆力学环境的分频段试验模拟方法，主要通过各类力学试验分频段模拟月球着陆探测器所经历的月面软着陆力学环境，并制定相应的探测器组件力学环境试验条件。本发明具体实施方式和步骤如下：

(1)通过月面软着陆力学仿真分析或地面试验获得月球着陆探测器各关键部位或组件安装处的瞬态加速度响应数据，采用改进的递归数字滤波算法(详见GJB 2238A-2004附录K.3)将其转化为冲击响应谱；

(2)在此冲击响应谱值基础上加上一定的安全系数，获得极限预示环境值和最高预示环境值(根据GJB 1027A-2005第3.3.2节规定：鉴定试验用的极限预示环境值是指用90％置信度估计在至少99％的飞行次数中不会被超过，即P99/90值；验收试验用的最高预示环境值是指用50％置信度估计在至少95％的飞行次数中不会被超过，即P95/50值。如果只有一次模拟真实飞行环境的分析数据或试验数据，那么P99/90值将比它高出7.21dB，而P95/50值比它高出3.29dB)；

(3)采用已有的针对火工品爆炸冲击环境的鉴定级冲击试验条件(加速度冲击响应谱)包络极限预示环境值的中高频段(100Hz～4000Hz)，若其中有部分频段不能包络，则提高相应频段的已有试验条件来确保包络，按确认包络的试验条件开展组件冲击试验；

(4)将已有的针对运载发射段环境的鉴定级正弦振动试验条件A(慢正弦扫描加速度幅值)通过关系式S＝QA转化为等效的冲击响应谱S，包络极限预示环境值的低频段(10Hz～100Hz)，若其中有部分频段不能包络，则提高相应频段的已有试验条件来确保包络，按确认包络的试验条件开展组件正弦振动试验；

(5)制定鉴定级加速度试验条件来等效包络低于10Hz频段的极限预示环境值，按此试验条件开展组件加速度试验，至此完成对该组件月面软着陆力学环境的全频段试验模拟和验证。

以嫦娥五号着陆探测器上某关键组件的月面软着陆力学环境为例，图2给出了按上述试验模拟方法分频段包络月面软着陆力学环境的示例，预示环境值和各类试验条件均以冲击响应谱的形式画在一张图中进行比较。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。