航空系统部件的设计验证
发布日期:2019-07-08 14:56:43

美国航空航天局喷气推进实验室(JPL)的科学家使用Polytec公司PSV-400-3D型号的扫描式激光测振仪对装配在火星探测车上的光谱仪进料口进行了动态响应测试。美国航空航天局JPL201111月接到这次有关火星的任务,他们需要将一台名为“好奇号”的火星实验室探测车送到火星上,以便对火星迄今为止是否具有可供生命生存的环境进行评估分析。好奇号将作为一台地质科学家机器人在火星上搜索有关地质、大气、环境以及潜在的生物特征方面的信息。


好奇号利用摄像机、光谱仪、辐射探测器、环境和大气传感器等设备采集火星表面的土壤及环境样本。美国航空航天局的科学家则对返回的数据进行分析处理。化学与矿物质(CheMin)投放口(如图1)和仪器上的样本分析模块(SAM)都受到位于料斗基座处的压电式执行器发出的振动激励,并以这种方式对火星表面采集到的样本进行筛选,然后放入光谱仪中进行分析。

                                               

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图1 土壤样本入料口


之前使用加速度传感器测得的数据不准确,主要原因是黏贴加速度传感器会给被测物体带来附加质量的影响,并且测量点数也受到了限制。因此JPL的科学家决定采用非接触式的测量方法来获取准确的振动数据,通过这些数据来确认光谱仪入口料斗的设计是否满足要求。


实验搭建

验证过程的第一步是获取工程模型(如图2)的动态特征,该工程模型已被验证可以有效地通过料斗移动土壤样本。描述料斗进口处多个位置的振动水平,可以将这些数据与前期有限元模型的分析结果进行对比分析,也为后期无法使用土壤进行测试的飞行模型的测试对比提供一个参考标准。


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图2 采样漏斗的工程模型


测试工程模型(如图3)时,系统的激励位置是执行器,分析SAM时采用一段长达15秒的频率范围在100Hz-500Hz的扫频信号作为激励信号,对于CheMin则使用一段5秒的频率范围在10.5kHz-12.5kHz的扫频信号作为激励信号。这个计划需要对3个执行器分别进行激励,然后2个一组进行激励,最后对3个执行器一起激励。使用Polytec公司PSV-400-3D型号的激光测振仪获取工程模型的三维振动数据。测试中需要多次调整工程模型的摆放位置,只有这样才能保证测试激光可以照射到CheMin的入料口(内外部分)、CheMin的料斗、CheMin的采集屏幕以及SAM的入料口。入料口、采集屏幕和料斗处都布置有大约20~30个测试点,每个测点的时域响应信号都包含XYZ三个方向的数据(如图4)。


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图3 对工程模型进行振动分析


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图4 模型在X, Y, Z三个方向的频响函数


为了验证产品的功能性,必须将工程模型的测试结果与飞行模型进行对比分析。飞行模型指的是装有CheMinSAM部件的火星探测车。探测车的组装是在宇宙飞船组装厂(SAF)中的无尘室内完成的。为防止探测车受到损伤,探测车1米内的区域是严禁进入的。激光测振仪在被带入SAF前已进行过清洁处理,摆放在距探测车1.5米的位置,从探测车上方仅可照射到CheMinSAM的入料口(如图5)。因此在对进料口内外边缘进行测试时需保证系统激励和数采参数的设置与先前测试工程模型时的保持一致。


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图5 安装在探测车上的入料口测试


测试结果与结论

测试数据的分析工作由JPL完成,每一个测点的时域数据在经过低通滤波后会进行速度RMS值的计算。对比工程模型和飞行器的结果数据发现二者的动态特征一致,这一结果增强了JPL科学家对入料口执行器系统功能特性的信心。


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