Actran 助力衛(wèi)星太陽能電池的振動聲學(xué)響應(yīng)預(yù)測

在離地升空和飛行期間，航天器運(yùn)載火箭會經(jīng)受多種振動聲學(xué)問題的挑戰(zhàn)。為了使火箭達(dá)到更高的推力和更遠(yuǎn)的里程，推進(jìn)動力越來越強(qiáng)勁，也相應(yīng)產(chǎn)生了更加強(qiáng)烈的噪聲激勵源。

這種強(qiáng)烈的聲負(fù)載會激勵運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)以及嵌入內(nèi)部的有效載荷和設(shè)備。因此，在所有運(yùn)載火箭部件的設(shè)計過程中，一定要對振動聲學(xué)行為進(jìn)行設(shè)計及管理，這一點(diǎn)對確保航天器部件的安全性至關(guān)重要。

過去五十年間，空中客車防務(wù)與航天公司一直在提供可靠的系統(tǒng)，從電子元件到完整的無線電通訊轉(zhuǎn)播平臺、科學(xué)衛(wèi)星乃至載人航天器。這些產(chǎn)品系列的關(guān)鍵通用部件是太陽能電池帆板。太陽能電池板負(fù)責(zé)供電，以便衛(wèi)星傳感器、電子設(shè)備及推進(jìn)系統(tǒng)能夠正常工作。

太陽能電池板在發(fā)射器整流罩中在發(fā)射階段用獨(dú)特的約束折疊起來，此后在各種任務(wù)階段被展開。為了減輕重量，太陽能電池組使用盡可能輕的材料，而太陽能電池板的面積須盡可能大以保證電力供應(yīng)。

在離地升空期間，這些輕質(zhì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)會承受強(qiáng)烈的載荷，因此工程師需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保它們能夠承受此類振動，而且不會出現(xiàn)有可能阻礙太陽電池板正確展開的殘留缺陷。

過去，通常是在混響室中對太陽能電池設(shè)計的結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，用揚(yáng)聲器再現(xiàn)強(qiáng)烈的離地升空聲學(xué)環(huán)境，同時測量在電池上的振動級和應(yīng)變。在多數(shù)情況下，由于制作樣機(jī)的成本所限，工程師無法進(jìn)行設(shè)計比較，因此初版往往采用保守設(shè)計。設(shè)計時的難點(diǎn)在于，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以減輕重量的同時，還要確保結(jié)構(gòu)的完整性。

圖1. IABG混響室中的通信衛(wèi)星，空中客車防務(wù)及與航天公司2017年版權(quán)所有

MSC 軟件解決方案

空中客車防務(wù)與航天公司的工程師通過使用 MSC Nastran 和 Actran 的方法來預(yù)測太陽能電池板在離地升空時的振動聲學(xué)響應(yīng)。用 MSC Nastran 計算太陽能電池板的模態(tài)頻率和振型；同時用 Actran 對復(fù)雜的聲學(xué)耗散和傳播進(jìn)行建模以豐富結(jié)構(gòu)模型，并對作用在折疊起來的太陽能電池帆板上的聲學(xué)載荷環(huán)境進(jìn)行建模。

電池帆板之間的空氣層建模

太陽能電池帆板在折疊時，各層之間會形成薄空氣層。對這些空氣層進(jìn)行建模對于確保能夠準(zhǔn)確預(yù)測終振動有著重要的意義。實(shí)際上，這些空氣層起到了減震器的作用，顯著影響了各個電池板的振動。

此外，由于這些空氣層的尺寸很小（幾毫米），因此會發(fā)生粘熱耗散，從而影響聲波的傳播。Actran 中包含了多種數(shù)值建模技術(shù)，可以對這些影響進(jìn)行建模并準(zhǔn)確預(yù)測終響應(yīng)。

圖2. 太陽能電池板振動譜，對空氣夾層的影響

圖3. 太陽能電池板振動頻譜，對電池板層間空氣粘性的影響進(jìn)行建模

圖4. 太陽能電池板振動頻譜，對電池板蜂窩結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行建模

蜂窩結(jié)構(gòu)對振動聲學(xué)響應(yīng)的影響

通常采用夾層結(jié)構(gòu)來減輕重量、增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并以碳纖維增強(qiáng)塑料面板覆蓋鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)。由于 MSC Nastran 的結(jié)構(gòu)建模能力可準(zhǔn)確地表述此類復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此采用 Actran 對覆蓋有碳纖維面板的蜂窩結(jié)構(gòu)對太陽能電池板結(jié)構(gòu)周圍的聲波傳播所產(chǎn)生的影響進(jìn)行建模。Actran對孔的建模能力可以模擬各向異性的聲學(xué)傳播以及特定的消散特性，這主要影響太陽能電池板在低頻區(qū)的振動聲學(xué)響應(yīng)。

真實(shí)環(huán)境建模

折疊電池板在安裝狀態(tài)下固定到衛(wèi)星上。衛(wèi)星主體同時是一個離太陽能電池陣列很近的聲學(xué)反射面，同時也會遮擋聲波直接接觸太陽能電池陣列。在典型的實(shí)驗(yàn)中，使用衛(wèi)星側(cè)墻模擬器（SSS）支撐太陽能電池陣列，重造一個電池陣列真實(shí)的環(huán)境。數(shù)值模型中通過在太陽能電池板附近建立一個反射面模型進(jìn)行模擬。

將平面波疊加所產(chǎn)生的擴(kuò)散聲場（DSF）激勵應(yīng)用到模型上，用以表示聲學(xué)環(huán)境。

不僅 Actran 的結(jié)果與整個相關(guān)頻率范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，而且還能通過 Actran 后處理的輸出云圖來確定電池板上最大加速度和最大應(yīng)變的位置。

圖5. 混響室試驗(yàn)設(shè)置

圖6.振動聲學(xué)模型概覽

圖7.太陽能電池板加速度功率頻譜

圖8.太陽能電池板應(yīng)變功率頻譜

圖9. 太陽能電池板加速度功率頻譜

關(guān)于空中客車防務(wù)與航天公司

空中客車公司是航空、航天以及相關(guān)服務(wù)商，2017 年的綜合收入為 668 億歐元。空中客車公司可提供從 100 到 600 個以上座位的客機(jī)機(jī)型?？罩锌蛙嚬疽彩菤W洲供應(yīng)商，可提供加油機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)，運(yùn)輸機(jī)以及各種任務(wù)飛機(jī)。在直升機(jī)領(lǐng)域，空中客車公司可在全球范圍內(nèi)提供高效率的民用和軍用旋翼機(jī)解決方案。