美國航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的科學(xué)家使用Polytec公司PSV-400-3D型號的掃描式激光測振儀對裝配在火星探測車上的光譜儀進(jìn)料口進(jìn)行了動態(tài)響應(yīng)測試。美國航空航天局JPL在2011年11月接到這次有關(guān)火星的任務(wù)，他們需要將一臺名為“好奇號”的火星實驗室探測車送到火星上，以便對火星迄今為止是否具有可供生命生存的環(huán)境進(jìn)行評估分析。好奇號將作為一臺地質(zhì)科學(xué)家機(jī)器人在火星上搜索有關(guān)地質(zhì)、大氣、環(huán)境以及潛在的生物特征方面的信息。
好奇號利用攝像機(jī)、光譜儀、輻射探測器、環(huán)境和大氣傳感器等設(shè)備采集火星表面的土壤及環(huán)境樣本。美國航空航天局的科學(xué)家則對返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。化學(xué)與礦物質(zhì)（CheMin）投放口（如圖1）和儀器上的樣本分析模塊（SAM）都受到位于料斗基座處的壓電式執(zhí)行器發(fā)出的振動激勵，并以這種方式對火星表面采集到的樣本進(jìn)行篩選，然后放入光譜儀中進(jìn)行分析。
圖1 土壤樣本入料口
之前使用加速度傳感器測得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，主要原因是黏貼加速度傳感器會給被測物體帶來附加質(zhì)量的影響，并且測量點數(shù)也受到了限制。因此JPL的科學(xué)家決定采用非接觸式的測量方法來獲取準(zhǔn)確的振動數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)來確認(rèn)光譜儀入口料斗的設(shè)計是否滿足要求。
實驗搭建
驗證過程的第一步是獲取工程模型（如圖2）的動態(tài)特征，該工程模型已被驗證可以有效地通過料斗移動土壤樣本。描述料斗進(jìn)口處多個位置的振動水平，可以將這些數(shù)據(jù)與前期有限元模型的分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，也為后期無法使用土壤進(jìn)行測試的飛行模型的測試對比提供一個參考標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 采樣漏斗的工程模型
測試工程模型（如圖3）時，系統(tǒng)的激勵位置是執(zhí)行器，分析SAM時采用一段長達(dá)15秒的頻率范圍在100Hz-500Hz的掃頻信號作為激勵信號，對于CheMin則使用一段5秒的頻率范圍在10.5kHz-12.5kHz的掃頻信號作為激勵信號。這個計劃需要對3個執(zhí)行器分別進(jìn)行激勵，然后2個一組進(jìn)行激勵，最后對3個執(zhí)行器一起激勵。使用Polytec公司PSV-400-3D型號的激光測振儀獲取工程模型的三維振動數(shù)據(jù)。測試中需要多次調(diào)整工程模型的擺放位置，只有這樣才能保證測試激光可以照射到CheMin的入料口（內(nèi)外部分）、CheMin的料斗、CheMin的采集屏幕以及SAM的入料口。入料口、采集屏幕和料斗處都布置有大約20~30個測試點，每個測點的時域響應(yīng)信號都包含X、Y、Z三個方向的數(shù)據(jù)（如圖4）。
圖3 對工程模型進(jìn)行振動分析
圖4 模型在X, Y, Z三個方向的頻響函數(shù)
為了驗證產(chǎn)品的功能性，必須將工程模型的測試結(jié)果與飛行模型進(jìn)行對比分析。飛行模型指的是裝有CheMin和SAM部件的火星探測車。探測車的組裝是在宇宙飛船組裝廠（SAF）中的無塵室內(nèi)完成的。為防止探測車受到損傷，探測車1米內(nèi)的區(qū)域是嚴(yán)禁進(jìn)入的。激光測振儀在被帶入SAF前已進(jìn)行過清潔處理，擺放在距探測車1.5米的位置，從探測車上方僅可照射到CheMin和SAM的入料口（如圖5）。因此在對進(jìn)料口內(nèi)外邊緣進(jìn)行測試時需保證系統(tǒng)激勵和數(shù)采參數(shù)的設(shè)置與先前測試工程模型時的保持一致。
圖5 安裝在探測車上的入料口測試
測試結(jié)果與結(jié)論
測試數(shù)據(jù)的分析工作由JPL完成，每一個測點的時域數(shù)據(jù)在經(jīng)過低通濾波后會進(jìn)行速度RMS值的計算。對比工程模型和飛行器的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)二者的動態(tài)特征一致，這一結(jié)果增強(qiáng)了JPL科學(xué)家對入料口執(zhí)行器系統(tǒng)功能特性的信心。
