美國對我們禁運的火箭振動台,中國不僅成功造出,還比美國更先進

2019-11-06     胖福的小木屋

航天行業對振動試驗有特殊要求,在發射升空高速飛行時都會伴隨著「震顫」問題,「震顫」會導致航天設備發生各種大大小小的故障,因此「震顫」問題解決不好後果將不堪設想。

所以在太空飛行器(衛星、飛船)的驗證和鑑定過程中,結構部件和系統級的振動試驗占有十分重要的地位。上世紀五六十年代,當時正處美蘇兩國太空爭霸的關鍵時期。

1969年,美國土星5號搭載阿波羅成功登陸月球後,為了追趕美國的步伐,蘇聯決定研發N1超重型運載火箭。整個火箭高度達到105米,相當於30層高的樓;滿載重量接近2800噸,這是一艘小型護衛艦的排水量;使用了多達44台的大推力發動機。

正在準備進行實箭發射時,火箭在發射過程中突然發生爆炸,當場造成150多名人員遇難,事故原因是一種被稱之為「縱向耦合振動」的現象。這種現象由不同發動機產生的推進力變化所致,由於安裝了多達44台的大推力發動機,所能產生的振動我們可想而知。一旦發生縱向耦合振動,可變加速度會導致燃料泵的壓力趨於不穩定,形成更大的可變加速度,最終讓振動與火箭的共振頻率相匹配,釀成慘劇

自從之後,太空飛行器都非常重視通過振動試驗來驗證所製造的系統的完整性,航天振動試驗系統一般由振動台、功率放大器、水平滑台和控制測量系統組成

其中振動台是其中最為核心的設備,振動台顧名思義就是模擬振動試驗的設備,它能夠模擬航天設備在運輸和發射過程中的震動環境,是太空飛行器在發射前必不可少的重要裝備,此前世界上只有少數國家能夠製造這種高精尖設備,而想要搞航天發射,就必須要有符合條件的振動台。

振動台分為三種,一種是用多個液壓振動驅動器並聯來製造振動台。這樣的好處是更容易實現更大的推力,也更容易實現更高的自由度。壞處是成本較高,同時很難做到高頻。土星5號超重型運載火箭是僅次於蘇聯能源號運載火箭的推力第二大運載火箭。它就是在一個使用8個液壓驅動器並聯的振動台上測試的。

另外一種是電動振動台。它具有頻率範圍寬、波形失真小、容易控制,並且可實現多個振動台同步運行等優點。

還有液電混合的,2008年NASA新建了一個驅動力100萬磅(450噸)的振動平台用於測試它用了16+4(垂直+水平)個液電混合驅動器,可以進行6-DOF(全自由度)的測試,測試物體的極限尺寸可以達到直徑7.2米、高22.8米。

90年代以來,隨著隨著我國航天事業的飛速發展,現有振動台在台面尺寸和推力等方面已無法滿足新一代火箭、衛星、飛船和空間站等太空飛行器振動試驗的要求,中國曾向美國提出購買9噸級電動振動台,為了制約中國航天的發展,最終美國拒絕了中國的請求。

美國國防部甚至明文規定:「為遏制中國航天業的崛起,9噸級的振動試驗品平台禁止向中國出口。」

既然買不了那我們就自己搞,當時國外僅有最大推力35噸的電動振動台,既然要搞那就做到最好,當時,蘇州東菱振動試驗儀器公司立馬上馬了35噸級電動振動台項目,在2008年研製成功,打破了歐美對該設備的技術壟斷與禁運封鎖,成為當時世界上最先進的電動振動台。

2012年,蘇州東菱振動試驗儀器公司總設計師江運泰帶領研究團隊相繼攻克了動圈的一階軸向共振頻率控制、驅動線圈繞組冷卻效果控制、內短路環冷卻效果控制、功率放大器與振動台阻抗匹配等關鍵技術難關。成功研製50噸振動台,領先世界。

2013年,在中國航天科技集團有限公司一院702所總設計師張巧壽的帶領下,中國成功研製70噸電動振動台,不僅可以應用於新一代大型太空飛行器的振動試驗,在大型鐵路機車、大飛機、重型特種車、高層建築抗震設計等領域也有廣闊的應用前景。

70噸超大推力電動振動台的碳纖維增強、水冷式高電壓輸出技術的功率放大器等多項新技術,填補了國內外空白。尤其是運動部件驅動圈,以前採用的是鋼板,重量大、剛度低,現在採用碳纖維增強技術,不僅重量輕,還提升了剛度和強度。

而目前國外最大推力的單電動振動台為29噸,中國在電動振動台上成功做到了領先世界。

而到了2016年,中國航天科技集團自主研發成功全球最大推力140噸振動試驗系統,該系統主要包括垂直振動試驗系統和水平振動試驗系統。垂直振動試驗系統由四個35噸電動振動台、鎂合金焊接擴展台面及導向支撐系統、同步控制系統以及智能化健康監測系統等組成,研製中突破了四台同步激振、大尺寸鎂合金台面焊接、高精度高承載高穩定性導向支撐等多項關鍵技術,系統靜承載能力達到40噸、最大推力140噸,抗傾覆能力350千牛米,系統頻率大於200赫茲。

該系統分區優化布置百餘個軸承,靜承載能力超過百噸,最大推力70噸,抗傾覆能力6000千牛米,系統頻率大於300赫茲。

中國原來的運載火箭直徑是3.35米,隨著長征五號的整流罩尺寸增加,其重量也在不斷增加。在中國大飛機大火箭這樣的大型裝備研製過程當中,很重要的一項就是要考驗設備在振動環境下的承受能力,而中國最新研製出的140噸振動試驗系統今後就要在這樣的大尺寸部件試驗過程當中起到重要作用。

2019年10月27日,海南文昌,遠望號火箭運輸船編隊將長征5號火箭貨櫃安全運抵海南文昌清瀾港,隨後,火箭將由海南文昌航天發射場通過公路運輸方式運送至發射場區,將擇機發射,這是長征五號的第三次亮相!

而2019年年底,長征五號火箭將會搭載嫦娥五號探測器進入太空,實現區域軟著陸及採樣返回,探月工程將實現「繞、落、回」三步走目標。

中國在電動振動試驗系統上的突飛猛進讓美國驚訝,這個時候,美國對華禁售產品名單中9噸以上級的振動平台仍赫然在列。

東菱振動董事長王孝忠就曾說:「這反映了美國制定政策的滯後性。其實早在6年前,我們的16噸級產品就向美國出口了。當時我們要求美國購買方簽訂『最終用戶聲明』,保證該產品不用于軍事等領域時,美方代表一邊簽字一邊說,這是他第一次在買方位置上簽字。」

在航天振動實驗設備上,中國單台電動推力和多台電動並聯上做到了世界第一,突破了西方的限制。

我們沒有必要一定要學習西方的電液混合設計,也不一定要走西方的傳統液壓方案,我們在電動振動上繼續鑽研,努力做到更大更強,走中國自己的道路。

不過目前在機械上的多台同步和多自由度大推力集成上,中國與西方還是存在差距。希望有一天,在航天振動試驗設備上,中國可以全面領先西方。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/vmAdQG4BMH2_cNUgxahQ.html