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使测试更加可靠:奇石乐助力韩国航空航天研发

供稿:奇石乐精密机械设备(上海)有限公司 2020/9/14 16:24:25
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韩国航空航天研究院(KARI)采用奇石乐测量技术,对卫星进行力限振动试验(FLVT)。测试人员将24个力传感器排布在环形结构上,同时与LabAmp电荷放大器和数据采集单元相连接,为集成加速度控制提供基础力控数据,避免过试验对卫星设备造成损伤。

与其他国家相比,韩国的航空航天探索历史相对较短。1989年,韩国航空航天研究院(KARI)成立,韩国的太空探索活动自此拉开帷幕。KARI位于韩国中心城市大田的大德科学城(Daedeok Innopolis),共有研究人员两万余名。20世纪90年代,KARI成功研发第一代航天运载火箭;目前,KARI主要致力于智能无人机(UAV)和卫星的研发工作,并与美国国家航空航天局(NASA)合作开展月球探索项目。

KARI的工程师希望设计一套测量基础设施,能够对大型有效载荷进行灵活的振动测试,该项目自2018年6月起延续至今。力限振动测试(FLVT)能够有效模拟卫星发射和飞行过程中的振动造成的机械应力。在力限振动测试中,UUT(被测单元)被放置在一个可以触发力限和受控的质量激励振动台上。过度测试可能严重损害、甚至毁坏被测单元,因此,通常需要安装额外的力传感器,用来进行双闭环控制。“事实证明,这种方法比单纯监控加速度更加灵敏、可靠和实用。”KARI空间环境测试部主管及首席研究员Sung-Hyun Woo表示。“我们希望设计一套控制系统,能够根据力传感器的反馈,自动触发窄带宽的陷波激励。”技术术语窄带陷波(notching),系指在较窄的频带内减小加速度输入,通常应用于能够发生共振的被测物的频带附件。

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由左至右:韩国航空航天研究院(KARI)研发工程师Sung-Hyun Woo博士、Jong-Min Im与奇石乐Seong-Oh Lee共同开发卫星振动测试测量链。

高度精准的力和力矩测量

为实现这一目标,KARI的工程师决定部署24个奇石乐三轴力传感器(9377C)。该等传感器为压电式(PE)传感元件,能够精准测量三个轴上(Fx、Fy和Fz)高达150kN的力分量。KARI首席研究员及项目领队Jong-Min Im解释道:“我们之所以选择奇石乐预载型三轴力传感器,是因为它们便于安装,且在安装后无需校准。”为了能够在滑台上(3.25 x 3.25米)安装,并确保测量的精准度,工程师将24个载荷单元排布成环形,通过下方的大型圆盘连接至振动台,并通过上方的圆盘连接至受测单元。Im还表示:“我们来到瑞士后,奇石乐工程师向我们介绍了他们在类似项目中的经验,展示了环形结构体的最优设计方法,令我们获益匪浅。环形结构体直径为2.3米,由于24个力传感器之间间隔较远,只有将上下圆环精准对齐,才能实现最高的测量精确度。”

为确保数据采集和传输的高效性,KARI工程师还部署了20个奇石乐的LabAmp电荷放大器(5165A)。其中,18个4通道电荷放大器用于处理载荷单元的传感器信号;另外两个用于必要情况下的加速度测量。“使用这些高端、低噪音实验室数据采集解决方案,我们能够轻松获取传感器中的数据。”Im回忆道,“虽然这部分测量链很快就能完成,但真正的挑战才刚刚开始。想要同时处理72个通道,就必须密切关注力矩的计算时间。但是,配置一套能将信号延迟降至最低的软硬件组合十分困难。信号延迟越久,就越有可能导致陷波激励的触发时间太迟。”

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环形结构配备24个奇石乐的三轴力传感器,连接LabAmp 5165A电荷放大器(组),可自动控制卫星振动测试振动台。

可靠的测量数据和快速处理能力,助力自动化控制系统研发

KARI工程师们付出的巨大努力最终获得了回报。他们采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA),不论正在进行的操作有多少,都能同时处理多个计算。Im评论说:“现在,完整的力-力矩闭环计算一次只需0.04毫秒,三次循环计算一共仅需0.12毫秒。想要构建力测量和加速度控制接口,就必须考虑大量的参数和变量。虽然经历了重重险阻,但我们最终获得了成功!”

接下来,需要对新的控制系统进行对比测试。Im解释道:“我们希望验证新系统是否优于手动程序,因此,我们使用安装好的结构进行横向振动测试,将巨大的力矩作用于卫星模型基座上。”测试结果清楚地证明,整个系统运行良好。自动陷波将共振振幅中的加速度输入从0.15g减至0.03g,整个系统的最高力矩未超过60kN.m;而手动控制系统中,最高力矩达71kN.m,即表示已出现严重的过试验。KARI的工程师继续使用集成式自动陷波系统进行力限振动测试,限值为300kNm。该测试仍然获得了令人满意的结果,于是,他们决定将新系统正式投入实体卫星的测试应用。

Sung-Hyun Woo总结道:“在整个项目过程中,无论是产品质量、数据可靠性还是信息咨询,奇石乐都提供了出色的支持。奇石乐与我们分享了大量的压电测量链知识,协助我们稳步推进项目。我们相信,在未来的项目中,奇石乐仍将是我们的重要伙伴。除力传感器和数据采集系统外,我们还将在未来项目中部署奇石乐的加速度计。不仅如此,我们还能随时从奇石乐的韩国分部获得本地技术支持。”

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奇石乐9377C力传感器是压电式预校准型三向传感器,测力范围高达150kN。

审核编辑(李娜)
更多内容请访问 奇石乐精密机械设备(上海)有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=57689)

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