結(jié)構(gòu)測試是航空產(chǎn)品在設計、開發(fā)和制造過程中不可或缺的一部分，也是確保產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、安全性和可靠性方面的一個重要步驟。
隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航空產(chǎn)品的類型越來越多，結(jié)構(gòu)測試的復雜性也不斷提高，產(chǎn)品開發(fā)和設計改進團隊要求用更有效的測試方法來提高生產(chǎn)效率，同時還需要完成與有限元模型分析結(jié)果的對標分析 （如負載分析、聲輻射等等）。
傳統(tǒng)的接觸式模態(tài)測試方法需要在被測物體表面粘貼加速度傳感器并布置傳感器線，當目標結(jié)構(gòu)很復雜或待測點數(shù)量較多時，測量成本會迅速增加。
圖1：4m×6m可充氣通信天線模型
圖2：真空室內(nèi)四象限膜的正方形太陽帆（邊長20m）
美國國家航空航天局（NASA）多年來致力于發(fā)展輕型空間結(jié)構(gòu)，以減少航天器的發(fā)射成本，并據(jù)此提出很多新穎的結(jié)構(gòu)設計。
例如，近年來受到追捧的碟形通信天線（圖1），其在太空中充氣至30米后固定，具有高速數(shù)據(jù)通信能力。另一個輕型結(jié)構(gòu)的例子是為航天器提供推動力的太陽帆。
太陽帆以太陽光光壓為推進動力，是一種獨特的推進方式，擺脫了對反應物料的依賴。其工作原理是：利用太陽帆將照射過來的太陽光（光子）反射回去，由于力的作用是相互的，太陽帆在將光子“反射”回去的同時，也會受到光子對太陽帆產(chǎn)生反作用力，從而推動飛船前進。太陽帆不但要有較小的自身荷載，而且也要具備近乎完美的反射面。由于單個光子所傳送的動量非常小，為了攔截大量的光子，太陽帆必須有盡可能大的表面積。
為滿足美航局對航天技術的需求，ATK公司、SRS科技和NASA蘭利研究中心組成的工作小組，在美航局航天推進辦公室（ISP）的指導下，開發(fā)出可折疊的太陽帆結(jié)構(gòu)（圖2）。
在地面上進行太陽帆模擬測試時通常會面臨的挑戰(zhàn)主要有：
-- 太陽帆表面積大，厚度比紙還??；
-- 不能忽略大氣中空氣的影響，必須在真空環(huán)境中完成測試；
-- 模態(tài)測試時，測量點密度高，要求將太陽帆表面分成若干個區(qū)域進行測試。
本文討論的是如何在真空環(huán)境中完成對太陽帆的模態(tài)測試。
圖3：真空室
圖4：置于密封加壓罐內(nèi)的PSV-400掃描式激光測振儀
真空環(huán)境
Polytec掃描式激光測振儀是真空環(huán)境中模態(tài)測試的首選工具。為保護激光掃描頭不受真空環(huán)境的影響，工作人員將其置于一密封加壓罐內(nèi)，激光從加壓罐的一個窗口射出，并配備強制空氣冷卻系統(tǒng)防止測振系統(tǒng)過熱。與專門開發(fā)的掃描反射鏡系統(tǒng)（SMS）一起，在真空室內(nèi)60米遠處對太陽帆進行全場模態(tài)測試。
圖5：真空室內(nèi)的掃描反射鏡系統(tǒng)(SMS)
如圖5所示，SMS系統(tǒng)安裝在真空室頂部，測試樣品的中間，測振儀安裝在真空室內(nèi)一扇門的門框上，SMS系統(tǒng)的靜態(tài)反射鏡將激光束導向兩個正交的動態(tài)反射鏡上。
自動化測試
軟件采用專門開發(fā)的目標跟蹤算法，激光束在測量每個待測點前均需進行自動聚焦操作，以保證測試信號的質(zhì)量。
測試系統(tǒng)的初始校準、目標跟蹤處理、以及整個數(shù)據(jù)采集過程均由系統(tǒng)自動完成。系統(tǒng)在掃描的同時測試反射光的強度，通過軟件計算反射光強度值矩陣的質(zhì)心和相應的反射鏡角度值來得出太陽帆的角度。
當調(diào)試完激光與SMS系統(tǒng)后，第二步是通過SMS系統(tǒng)使得激光與太陽帆上的被測點一一對應，第三步是由軟件逐步讀取目標定位信息，完成整個數(shù)據(jù)采集和存儲過程。由于整個測試過程要求非常嚴格，多數(shù)情況下測試時長可能會超過5個小時。
在本次測試之前，已經(jīng)驗證測振系統(tǒng)和SMS系統(tǒng)的測試距離可達85米（甚至更遠），遠遠超出本次實驗的60米測試距離。
圖6：四象限膜的正方形太陽帆的磁激勵系統(tǒng)
為了提高太陽帆航天器的有效荷載能力，要求太陽帆超大、超輕、超薄。選擇太陽帆材料時需要考慮空間環(huán)境的影響，通過拉伸使薄膜平整，形成近乎完美的反射面。
太陽帆模態(tài)測試所采用的激勵方法是在太陽帆的支撐桿的各端部安裝電磁鐵（每端部2個，共8個），安裝的側(cè)視圖如圖6所示。電磁鐵被安裝在帶有線性驅(qū)動器的垂直位移臺上，以便精確定位。
為保證正常工作，安裝在支撐桿上的電磁鐵控制在5mm以內(nèi)，在每個電磁鐵旁均安裝有微型攝像頭，要求兩者對齊，并保證適當?shù)拈g隙尺寸。
為保證真空環(huán)境下太陽帆的安全，各支撐桿端部安裝的電磁鐵可以阻止太陽帆的垂向和橫向運動。當電磁鐵被斷電后，彈簧在將其拉離被測表面，支撐桿可恢復自由移動。
測試時，各支撐桿端部安裝的另一電磁鐵同時受到激勵。為節(jié)省測試時間，在太陽帆每四分之一象限內(nèi)定義5個測量點，每個支撐桿的端部定義2個測量點。
由于太陽帆結(jié)構(gòu)不變，四分之一象限內(nèi)5個測量點的低空間分辨率與44個測量點的高空間分辨率的測試結(jié)果相差不大。
太陽帆模態(tài)測試
圖7：太陽帆系統(tǒng)的主模態(tài)（0.5Hz）
如圖7所示，0.5Hz處的太陽帆系統(tǒng)的主模態(tài)振型為所有象限進行同相擺動。在這階模態(tài)下，所有的支撐桿圍繞著軸線為進行螺旋式運動。
圖8：太陽帆薄膜的一階模態(tài)（0.69Hz）
支撐桿參與一階太陽帆薄膜的模態(tài)運動，在0.69Hz處的振型為呼吸模態(tài)。在該模態(tài)下，太陽帆四分之一象限的支撐桿圍繞自身軸線承受一階彎曲（見圖8）。
通過分析太陽帆的其他高階模態(tài)還發(fā)現(xiàn)，四分之一象限內(nèi)的支撐桿振型主要為一階彎曲，但中軸則表現(xiàn)出二階或三階彎曲振型，這些測試結(jié)果對于結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化至關重要。
結(jié)論
與有限元分析結(jié)合起來，激光測振儀降低了太陽帆系統(tǒng)的模態(tài)測試難度。并且通過將各象限模態(tài)進行拼接組合，完成了整個太陽帆薄膜的模態(tài)測試。
本文介紹的方法可被進一步用于其他輕型結(jié)構(gòu)的測試，如基于通信天線的技術開發(fā)等。
鳴謝
我們要感謝美國國家航空航天局批準發(fā)布這篇文章。
