Система испытаний авиационной и космической техники на воздействие «прямого» акустического поля (DFAT)

Динамическое нагружение в процессе старта и на этапе выведения на орбиту аппаратуры, размещённой на платформе в приборном отсеке головного обтекателя (ГО) ракеты-носителя (РН), а также лёгких навесных устройств космических аппаратов (КА), таких как антенны, солнечные батареи, научно-исследовательское оборудование, инструменты специального назначения, может привести к их повреждению. Для выявления рисков на этапе проектирования и производства предусмотрен ряд наземных испытаний КА, одним из которых является проведение испытаний на стойкость КА к воздействию акустических волн высокой интенсивности.

Метод RFAT

Для проведения наземных стендовых испытаний изделий ракетно-космической техники (РКТ) на стойкость к акустическим воздействиям наиболее широкое распространение получил метод испытаний RFAT (Reverberant Field Acoustic Testing), основанный на размещении изделия в диффузном, те есть, однородном и изотропном акустическом поле, которое формируется в реверберационной камере.

Практическая реализация «реверберационного» метода акустических испытаний сопряжена с значительными затратами на строительство реверберационной камеры специальной формы и на приобретение дорогостоящих источников шума (акустического излучения) высокой интенсивности, с помощью которых в камере формируется диффузное акустическое поле с высокими уровнями звукового давления.

Кроме того, данный метод испытаний сопряжен с определенными техническими сложностями и не позволяет создать натуральные условия, возникающие в процессе реального запуска РН.

Метод DFAT

Альтернативным методом испытаний авиационной и космической техники, конструкций и компонентов на стойкость к воздействию пусковой акустической нагрузки является метод DFAT (Direct Field Acoustic Testing), основанный на размещении изделия (КА) не в диффузном поле, а в «прямом» акустическом поле.

Основное преимущество стендового моделирования динамического нагружения КА на этапе пуска РН на основе метода «прямого» поля заключается в возможности его проведения в обычном измерительном, лабораторном или производственном помещении, без необходимости построения дорогостоящих реверберационных камер. Монтаж, настройка и калибровка системы осуществляется прямо на месте.

Мобильность и гибкость системы позволяют адаптировать этот метод для каждого приложения, обеспечивая экономически эффективное решение для тестирования, а также адаптацию к изменениям графика испытаний и/или требований. Системы DFAT также могут быть масштабированы для удовлетворения требований, предъявляемых как к испытаниям небольших отдельных компонентов и устройств (отражатели, антенны и решетки солнечных батарей), так и к испытаниям сборных аппаратов, конструкций и изделий, которые слишком велики, чтобы поместиться в традиционной акустической реверберационной камере (полезная нагрузка ракет-носителей: спутники, космические корабли, иные компоненты КА).

Конструкция системы

В тестовой системе DFAT используется концепция «строительных блоков» для формирования всевозможных комбинаций оборудования, удовлетворяющих конкретным требованиям клиента. Система, как правило, включает в себя более 700 динамиков, серию аудиоусилителей мощностью свыше 2 миллионов ватт, питающихся от защищенной системы электроэнергии, не менее 12-16 контрольных микрофонов и систему акустического контроля и сбора данных с замкнутым циклом MIMO.

В экспериментальной установке для проведения испытаний на основе метода DFAT, вместо обычно используемых в реверберационных камерах электропневматических источников звука высокой интенсивности, в качестве источников акустического излучения используются, так называемые, акустические кабинеты с высокопроизводительными электродинамическими громкоговорителями (акустическими колонками) в сочетании с усилителями с чрезвычайно высокой выходной мощностью, создающие в камере поле с уровнями звукового давления 140 – 160 дБ.

Конструктивно акустические колонки располагаются равномерно вокруг испытуемого изделия и образуют кольцевой источник звука. Размер круга зависит от размера испытуемого изделия. Как правило, требуется круг диаметром от 3,5 до 5,5 метров и высотой на 120 сантиметра больше, чем испытуемое изделие.

При использовании метода DFAT для проведения акустических испытаний испытуемое изделие размещается в непосредственной близости от источника звука, именно в зоне «прямого поля». Расстояние от колонок до центра изделия при этом должно составлять от 2,6 до 2,9 метров.

Технические и программные возможности системы позволяют создавать акустическую среду, которая имитирует поля звукового давления вертолета, реактивного двигателя самолета или ракеты-носителя. Система способна генерировать уровни шума от окружающего до 160 дБ звукового давления в течение более чем одной минуты в диапазоне частот от 25 Гц до 10 кГц. В ходе опытной эксплуатации системы удалось добиться уровня звукового давления до 152 дБ в частотном диапазоне до 31,2 кГц на протяжении времени от 60 секунд до 4 часов.

Параметры динамического нагружения конструкции определяются практически только структурой акустического поля, формирующегося при излучении звуковых волн колонками.

Система управления и контроля

Управление системой осуществляется узкополосным контроллером с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), получающим в реальном времени входные данные от матрицы высокоточных лабораторных микрофонов.

Для контроля тестовых параметров и обеспечения безопасного и точного управления тестовой системой DFAT применяется замкнутая система управления с обратной связью, которая может быть использована для ограничения и/или прерывания процесса при обнаружении превышения условий испытания.

Ключевые особенности системы:

Портативность: может быть смонтирована практически в любом месте;

Модульность: возможность построения различных конфигураций и адаптации к изменяющимся условиям в будущем;

Управляемость: безопасная система управления, работающая в реальном времени;

Узкополосный контроль: возможность контроля в соответствии со спецификацией, определенной с шагом 3 Гц от 25 до 10 кГц;

Ограничение отклика: контроль по уровню звукового давления (SPL, Sound Pressure Level), ускорению, силе или напряжению;

Защита от перегрузки при тестировании: обеспечивает прерывание при пиковых или среднеквадратичных значениях отклика.

Эксплуатанты системы

Основными эксплуатантами автоматизированного испытательного комплекса по методу DFAT являются научно-исследовательские испытательные институты, авиационные заводы, предприятий ракетно-космической промышленности и оборонно-промышленного комплекса.