[正版][科学出版社直发]航天动力学环境设计与试验指南

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航天动力学环境设计与试验指南
	曾用价	95.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2018年09月
	开本	16
	著编译者	无   吴永亮,何玲,樊世超
	页数	204
	ISBN编码	9787030588890

　　本书系统论述了航天飞行器动力学环境设计、试验环境条件预示与计算等，主要内容包括：航天飞行器在其寿命周期内所经历动力学环境的分类及任务事件、动态激励或动力学环境引起的载荷预示方法、结构环境激励响应预示方法、动力学*大预期环境计算方法、动力学环境在*大载荷处持续时间的计算方法、动力学环境设计与试验准则、动力学环境试验过程中需要考虑的问题等。本书为航天产品设计人员提供了全面、详尽的动力学环境设计与试验工作指导，对于推动航天技术发展、提升我国航天飞行器产品研制能力具有重要意义。

目录
前言
第1章分类、描述和任务事件 １
1.1动力学环境的分类 １
1.1.1概述 １
1.1.2确定性动力学环境 2
1.1.3随机动力学环境 3
1.2动力学环境描述 4
1.2.1概述 4
1.2.2时间历程 5
1.2.3均值 5
1.2.4线谱 6
1.2.5白谱 6
1.2.6波数谱 7
1.2.7倍频程谱 8
1.2.8*大谱 8
1.2.9傅氏谱 8
1.2. 10能量谱 9
1.2. 11冲击响应谱 9
1.2. 12互功率谱的相干函数 10
1.2. 13频率响应和脉冲响应函数 11
1.3动力学环境任务事件 11
1.3.1概述 11
1.3.2运输 12
1.3.3发射前的地震载荷 12
1.3.4风和紊流 13
1.3.5火箭发动机点火超压 14
1.3.6起飞释放载荷 14
1.3.7发动机喷流噪声 14
1.3.8发动机产生的由结构传播的振动载荷 15
1.3.9气动噪声 15
1.3. 10发动机推力瞬变 16
1.3. 11上升过程中的机动载荷 17
1.3. 12 POG()振动 17
1.3. 13固体发动机压力脉动 18
1.3. 14箱体内液体晃动 18
1.3. 15级间和整流罩分离载荷 18
1.3. 16火工品引爆产生的载荷 19
1.3. 17飞行操作过程中产生的载荷 21
1.3. 18在轨运行中的振动载荷 21
1.3. 19行星降落、进入行星大气层及着陆22
1.3.20地表穿透 23
1.3. 21空间碎片和微流星体碰撞 23
1.3. 22环境概要 24
参考文献 25
第2章激励预示分析 26
2.1低频瞬态激励 26
2.1.1分析模型 27
2.1.2外推法 28
2.1.3直接测量法 29
2.1.4评估 30
9.9低频随机激励 30
2.2.1分析模型法 30
2.2.2缩比模型法 30
2.2.3外推法 31
2.2.4亩接测量法 31
2.2.5其他方法 31
2.2.6评估 31
2.3准周期激励 32
2.4外部噪声激励 32
2.4.1声功率法 32
2.4.2声场缩比模型 35
2.4.3外推法 36
2.4.4直接测量法 37
2.4.5评估 37
2.5外部气动激励 38
2.5.1边界层预测法 38
2.5.2风洞缩比模型法 42
2.5.3外推法 43
2.5.4直接测量法 43
2.5.5评估 44
2.6 内部噪声激励 44
2.6.1模态分析法 45
2.6.2统计能量分析法 45
2.6.3动力学缩比模型 51
2.6.4外推法 51
2.6.5直接测量法 52
2.6.6填充因子 52
2.6.7泄压口噪声 53
2.6.8机械振动辐射 54
2.6.9评估 54
2.7结构传播式振动激励 55
2.8高频瞬态激励 56
参考文献． 56
第3章响应预示分析 58
3.1低频振动和瞬态响应 58
3.1.1结构动力学模型 60
3.1.2经典正则模态分析方法． 60
3.1.3有限元建模方法 64
3.1.4其他建模方法 66
3.1.5模型验证 67
3.1.6低频响应分析 70
3.1.7组合低频响应 75
3.1.8评估-77
3.1.9高频振动响应 79
3.2.1经典正交模态分析法 80
3.2.2统计能量分析法 81
3.2.3有限元法 88
3.2.4外推法 89
3.2.5直接测量法 92
3.2.6评估 93
3.3高频瞬态响应 93
3.3.1分析模型法 93
3.3.2经验模型法 94
3.3.3统计能量分析法 95
3.3.4外推法 98
3.3.5直接测量法 101
3.3.6评估 102
参考文献 103
第4章*大预期环境计算． 106
4.1空间差异——点预示方法 106
4.1.1包络限 108
4.1.2正态容差限 109
4.1.3无分布容差限 113
4.1.4经验容差限 114
4.1.5正态预测限 116
4.1.6评估 118
4.2空间差异——区间预示方法 119
4.2.1频率分辨率带宽的变化 120
4.2.2结构区间的变化 121
4.3多次飞行过程之间的差异 122
4.4容差限超过部分的选择 123
4.5输入运动限值的约束 125
4.5.1基本原理 126
4.5.2输入力控制技术 127
4.5.3输入加速度限制方法 130
4.5.4响应加速度限制方法 132
4.5.5噪声试验 132
4.5.6评估 133
4.6瞬态波形的重构 134
参考文献 135
第5章环境持续时间的计算 138
5.1失效模型 139
5.1.1逆幂律模型 140
5.1.2基于S-N曲线的疲劳损伤模型 141
5.1.3基于裂纹生长速率的疲劳损伤模型 142
5.1.4首次穿越模型 144
5.1.5评估 147
5.2短时噪声与振动载荷的持续时间 147
5.2.1近似流程 147
5.2.2数值计算流程 149
5.2.3多次飞行事件的过程 150
5.2.4评估 151
5.3长时间噪声与振动载荷的持续时间 152
5.3.1加速噪声与振动试验 153
5.3.2耐久性和功能性试验 153
5.3.3环境作用时间和设讣准则 154
参考文献 154
第6章设计与试验准则 156
6.1概述 156
6.2低频振动和瞬态响应 156
6.2.1设计准则 157
6.2.2方案和初样设计阶段 160
6.2.3后期和*终设计 163
6.2.4模态试验 164
6.2.5试验准则 164
6.3高频振动响应 165
6.3.1初始设计 165
6.3.2*终设计 170
6.3.3设计与试验余量 171
6.4高频瞬态响应 174
6.4.1 -般设计考虑 174
6.4.2设计与试验余量 175
参考文献 175
第7章试验总则 177
7.1试验目的177
7.1.1鉴定试验177
7.1.2验收试验178
7.1.3单件首飞试验178
7.2动力学激励事件179
7.2.1短时事件179
7.2.2长持续时间事件180
7.3装配层级181
7.4模拟类别182
7.4.1正弦扫描激励模拟瞬态激励182
7.4.2多轴激励183
7.5试验夹具184
7.5.1小型试件184
7.5.2大型试件184
7.6试验失效的判断185
第8章试验设备与过程要求187
8.1低频振动试验187
8.1.1试验设备187
8.1.2试验程序190
8.2低频瞬态试验192
8.2.1试验设备192
8.2.2试验程序193
8.2.3替代程序194
8.3高频振动试验195
8.3.1试验设备195
8.3.2试验程序196
8.4高频瞬态试验196
8.4.1试验设备196
8.4.2试验程序199
8.5声试验200
8.5.1试验设备200
8.5.2试验程序202
8.6替代动力学试验203
8.6.1联合动力学试验203
8.6.2直接声场法声试验203
参考文献204

第1章 分类、描述和任务事件
　　卫星和运载火箭从研制、发射、在轨运行直至任务结束所经受的力学环境并不完全一致。由于研制流程或任务的不同，卫星所受力学环境的种类和特性也会存在一定的差别。例如，不同运输方式（汽车、火车、轮船和飞机）将使卫星承受不同的运输环境，返回式卫星因其返回地面，需要比非返回式卫星多承受返回气动力／热环境和着陆冲击环境等。总的来说，航天动力学环境的设计和分析过程应涵盖卫星和运载火箭从制造到任务终止的整个寿命周期，不可忽略任何一个环境，否则可能导致航天产品部组件的失效，甚至整个任务失败。本章介绍航天飞行器（运载器、上面级和航天器等）在其使用寿命周期内（从出厂到其完成飞行任务）所经历动力学环境的分类、描述和任务事件。
　　1.1 动力学环境的分类
　　1.1.1 概述
　　航天动力学环境包括所有作用在航天器及其组件上的产生各种动激励的现象。动激励也称为“力函数”或“动载荷”。这些激励可以是施加的外力，也可以是一种运动输入，它们既可能由内部产生，也可能由外部诱发。
　　内部激励的示例如下：
　　(l)转动部件的不平衡；
　　(2)机构运行；
　　(3)硬件装配的不对中；
　　(4)组件中的磁力、气动力或流体动力；
　　(5)贮箱内摊进剂液体的晃动；
　　(6)动力供给或需求不平衡造成的扭矩变化。
　　内部激励是和组件的特定设计以及其具体功能紧密联系的，本书中的方法可能无法轻易地解决内部激励的问题，但不能忽视内部激励的重要性。
　　外部激励的示例如下：
　　(l)装卸；
　　(2)运输；
　　(3)发射；
　　(4)上升；
　　(5)空间运行；
　　(6)进入行星（包括地球）大气及着陆。
　　为了便于数据分析及简化试验流程，一般将动力学环境分为确定性的、随机性的或两者皆有的，也可以根据动力学环境的特点将其分为稳态、非稳态和瞬态。
　　1.1.2确定性动力学环境
　　确定性动力学环境是指每当处于此环境条件时，能够产生具有相同时间历程的激励。也就是说，在任意时刻f，在允许的试验误差范围内，激励的瞬时值都可以通过前一时间对激励的测量值来确定。确定性动力学环境通常是比较易于理解、易于描述的物理过程。常使用确定性方法来描述和预示这些激励以及由这种环境因素产生的响应。
　　因此，可以在数学上将确定性环境因素描述为一个时间的函数r(t)，它是一个周期或非周期（瞬态）的时间历程信号，如图1.1所示。此外，可以用函数r(t)的傅里叶变换X(f)来描述确定性动力学环境在频域上的表现。
　　1.1.3 随机动力学环境
　　随机动力学环境是指每当处于此环境条件时，用来描述环境因素的时间历程信号的统计学特征（如均值和标准偏差）是不变的，而特定时刻的信号值是变换的。因此，在特定时刻f，信号值无法通过前一环境因素的测量值获得，如管中高速气流产生的气动噪声。一般来说，动力学环境通常是由确定性部分和随机部分组成。图1.2(a)是纯随机环境产生的随机信号示例。图1.2(b)是周期（确定性的）与随机环境因素共同作用而产生的信号示例，该信号中的周期性部分如图1.1(a)所示。
　　随机动力学环境称为“时不变”还是“时变”取决于在所关心的时间范围内，表现环境特性全部时间历程信号的统计学特征值是随时间不变的还是变化的。“时不变”随机信号通常称为“平稳随机信号”。平稳随机信号又可分为各态历经随机和非各态历经随机。如果各样本函数的时间平均统计特性都相等，那么称此环境为各态历经随机的。
　　当一个或多个表现环境特性的随机信号的统计学特征值随时间变化时，该环境称为“时变”的。航天器在发射阶段经历的大多数动力学环境都是“时变的”。综合数据分析与工程应用的观点来看，可将随机时变环境划分为两类，即非平稳随机和瞬态随机。如果表观环境特性的随机信号中至少有一个统计学属性随时间变化，那么称这种随机环境为非平稳的。例如，航天器在大气层中上升时造成的气动噪声，它的均方根值是时变的。如果表现环境特性的随机信号有明确的开始和结束，并且其作用时间相对瞬态环境作用下结构的脉冲响应函数衰减时间较短，就称为瞬态动力学环境。例如，火箭发动机点火瞬时超压，或是爆炸分离冲击事件。图1.3是典型的非平稳和瞬态随机动力学环境特征
　　信号图示。
　　1.2 动力学环境描述
　　1.2.1 概述
　　有多种方式描述动力学环境信号r(t)。这里使用的描述符包括时间历程，均值，平稳过程的线谱、白谱、波数谱、1/3倍频程谱，非平稳过程的*大谱，以及瞬态过程的傅氏谱、能量谱、冲击响应谱。
　　x(t)和y(t)分别表示两个不同环境的信号，或者同一环境和测量时间但不同位置的测量信号，一般用互功率谱及其衍生的函数（相干函数、频率响应函数、脉冲响应函数）来确定其线性关系。除了时间历程、1/3倍频程谱和冲击响应谱，所有这些描述符都包含对信号z(￡)和v(t)的傅里叶变换，定义如下：如果l(t)和v(t)的幅值单位是对应时域(s)的“和砂（如g、m、Pa等），则X(f，T)和Y(f，T)的幅值单位是对应频域(Hz)的U和V。
　　为了清楚，本书中所有公式都是连续的时域和频域函数。然而，在实际应用中都是用计算机进行分析计算的，所有数据都是离散时域和离散频域的函数。
　　1.2.2 时间历程
　　具有确定性特性的低频（50Hz以下）瞬态环境，环境采样时间历程(图1.1)可以为预示结构响应、设计标准、确定试验量级等提供充分描述。但是，采样时间历程对随机环境和确定性高频环境的T程应用来说是不能描述清楚的。
　　1.2.3均值
　　对于稳态或平稳动力学环境，用信号x(t)来表示时，对环境幅值*简单的描述方法是：用均值肚，描述x(f)的集中趋势；用标准差①描述r(t)的离散情况；用均方根以描述集中趋势和离散情况。信号r(t)的均值、标准差和均方根的计算见式(1.2)～式(1.4)，其中0≤f≤T。
　　(l)均值：
　　式中，T为线性平均时间。需要注意的是，高频动力学环境的测量一般使用压电传感器，这种传感器无法测量信号的平均值，也就是说实测信号没有直流(DC)部分。在这种情况下，均方根与标准差相等，也就是如果肚。则以一万

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