潘 晓，李 东，张东云，徐 跃
(西昌卫星发射中心， 四川 西昌 615000)
当设备设施受到一定程度的振动冲击时，可能会引发共振、损伤等问题，甚至出现超过极限承受能力而工作异常的情况。航天发射任务涵盖卫星、火箭、地面测控等多个系统，包含很多电子类、机械类设备设施。如果这些设备设施受到振动冲击破坏，会在一定程度上影响其产品质量和工作效能，甚至直接影响航天发射任务的完成质量[1-2]。因此，针对航天发射场开展典型振动影响分析，掌握特征和规律，研究必要的防护措施，对航天发射任务安全性有着重要意义。
振动测试是航天发射场一项重要的性能试验，贯穿于航天器运输、火箭转运、火箭发射等多个工作过程。本文选取了航天器公路运输、发射场测控装备受火箭发射声波影响2个典型振动场景作为研究对象，开展了一系列试验，研究振动特点、规律及其影响，从而给出航天装备防护建议。
2.1 航天器公路运输振动冲击响应原理
航天器抵达发射场就近机场后，通常采用公路运输方式运至发射测试区。航天器内部包含大量芯片、晶振、电池、电感等器件，对振动非常敏感[3-4]。公路运输过程中，航天器长期处于低频振动，这种振动可能会对航天器内部器件和结构造成破坏性损伤[5]，因此公路运输是航天器寿命的重要影响因素之一。
公路运输引起的振动响应统计分析是对运输过程中各类振源振动特性的统计分析。所谓响应就是航天器在振动与冲击外力作用下其可动部分随外力运动的情况。一般说来，航天器的机械结构较为复杂，可分解成若干个或等效为一个有阻尼单自由度线性系统模型[6]，其运动微分方程为
(1)
式中：m为系统可动部分的等效惯性质量；
c为阻尼系数；
k为系统刚度；
f(t)为航天器所承受的外力；
y为位移；
t为时间。
结合式(1)分析可知，航天器在公路运输过程中受到的振动冲击源很多，比如航天器自身惯性质量与车辆牵引及紧急制动等外力的相互作用、运输车辆车轮往复运动和发动机运行引起的振动、运输车辆遇到路面凸包或凹坑时产生的冲击等[7-8]。航天器所受到的振动冲击是这些因素共同作用的结果。测量航天器在公路运输过程中振动冲击响应，就是测量各类振动冲击积累效应在各个方向的矢量和。
2.2 声波振动冲击响应原理
声波是一种机械波，根据振动频率不同可分为次声波、可听波和超声波。次声波振动频率低于20 Hz，可听波频率范围为0.020～20 kHz，超声波频率高于20 kHz[9]。声波的衰减特性服从指数变化规律：
A=b0e-∂x
(2)
式中：A为距离声源处的声压，b0为声源处的初始振幅，∂为衰减系数。根据声波传播规律，衰减系数与声波的频率平方成正比，即声波频率越高，传输过程中能量衰减的速度就越快[10]。从式(2)可以看出，只要声源能量足够大且距离足够近，处于声波作用距离之内的设备都会承受来自声源的声压，从而引发一定程度的振动。
火箭发射时，由于燃料的剧烈燃烧，强烈的气流通过喷口与周围空气相互作用产生巨大的声波。声波向发射场各方向传播，有的通过空气传播产生振动效应直接作用于周边设备，有的入射至地表，引起地表土壤粒子的振动，产生声-地震耦合[11]，引起设备所在地振动，进而对设备产生振动影响。
发射场周边布设有雷达、遥测和光测等电子装备。一般来说，电子装备耐受振动频率为10～55 Hz，振幅为0.5 mm，加速度为2g，冲击为10g，超过这个极限时，可能会引起开关误动作、机械结构松动、电气部件疲劳损坏以及接触不良等[12-13]。因此，研究发射声波对测控装备的振动影响，对装备布设选址和抗振性能改进都有着积极意义。
试验选用的设备是一套发射场自研的多通道振动测试系统。该系统基于LabVIEW虚拟仪器平台开发，可完成多路振动信号的并行采集、分析和处理，可提取振动数据的各种特征量，从时域、频域多角度对信号进行观察和分析。
系统由2个振动加速度计和1台数采工控机组成。2个加速度计可实现X、Y、Z三个轴向共6路振动信号的采集。数采工控机集成了1块8通道PCI高精度同步数据采集卡(工作带宽45 kHz)、1套振动测试分析专用软件，能够实时采集振动数据，并利用FFT技术进行振动频谱、功率等特征分析。整套系统振动加速度测量范围为±50g，冲击极限2 000g，频率响应范围为0～5 000 Hz，适合于开展运输振动、冲击、声波振动等振动监测[13]。
4.1 试验准备
考虑影响航天器公路运输振动响应的因素很多，包括路面、车速、载重等[14]，为分析各种运输情况下的振动响应，需针对不同影响因素开展多种跑车试验。跑车试验后，应结合实车监测结果再次比较分析，确保试验的完整性和结论的合理性。
为尽可能接近真实运输情况，跑车试验时，平板车运载集装箱(配重为5 t)模拟航天器运输。同时，为考察集装箱不同位置的振动情况，将加速度计1安装在集装箱侧面中部，加速度计2安装在集装箱前面中部，如图1所示。图1中X1、X2表示上下方向振动响应，Y1、Z2表示左右方向振动响应，Z1、Y2表示前后方向振动响应。
图1 集装箱外加速度计安装位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the installation position of the accelerometers outside the container
4.2 不同路面下的跑车试验数据比较分析
此项试验考察不同路面对运输振动的影响。公路运输路面分水泥路面和柏油路面2种，2种路面的质量等级不同，会引起不同的振动响应。运载车辆保持同样车速(10 km/h)，分别在水泥路面和柏油路面上开展运输，加速度计1振动响应结果如图2所示。
图2 不同路面的振动响应曲线Fig.2 Vibration response of different pavements
分析可知，不同路面产生的振动响应大小不同。水泥路面的振动响应普遍大于柏油路面的振动响应，这与水泥路面本身硬度大、胎噪大等因素有关。同一路面，不平整路段产生的振动响应更大。
4.3 不同车速下的跑车试验数据比较分析
此项试验考察不同车速对运输振动的影响。保持运载车辆在同一路面行驶，车辆分别处于不同的行驶速度(20 km/h和10 km/h)，加速度计1振动响应结果如图3所示。
图3 不同车速的振动响应曲线(柏油路面)Fig.3 Vibration response at different speeds (asphalt pavement)
分析可知，同一路面，车速越快，产生的振动响应越大，表明振动量级与车速成正比关系[15]。多次跑车后发现，路面等级越低，存在凹凸不平，甚至出现沟坎、碎石等情况时[16]，车速超过30 km/h，振动响应幅值会明显增大，车速降至20 km/h以下，振动响应会明显减小。
4.4 同一加速度计跑车试验数据比较分析
此项试验考察不同方向的运输振动响应情况。调取跑车试验中加速度计1三个轴向方向(X、Y、Z)上的振动响应数据，对比得到各方向上振动响应所呈现的特点，如图4所示。
分析可知，同一加速度计3个轴向上监测到的振动响应不同。多组数据呈现同一规律：上下振动普遍大于左右振动和前后振动，即垂直向的振动响应普遍大于水平向。试验中发现，急刹车会造成较大的振动冲击，虽表现为前后向，但实际振动响应却主要体现在上下向。
4.5 不同位置加速度计跑车试验数据比较分析
此项试验考察车体不同位置的运输振动响应情况。如图1所示，加速度计1安装在集装箱中部(车体靠后位置)，加速度计2安装在集装箱前部(车体靠前位置)，它们的振动监测结果在一定程度上反映了运输车体不同位置所承受的振动大小。选取同一时间2个加速度计相同方向的振动响应进行比较，如图5所示。
图4 同一加速度不同方向的振动响应曲线Fig.4 Vibration response in different directions of the same acceleration
图5 不同加速度同一方向振动响应曲线Fig.5 Vibration response in the same direction at different accelerations
分析可知，同为上下方向，加速度计1的振动响应大于加速度计2的振动响应，左右、前后方向亦是如此，即加速度计1的振动响应大于加速度计2的振动响应，说明运输车体靠后的位置所承受的振动相对较大。
4.6 跑车试验数据特征分析
对历次跑车试验数据进行时域、频域分析。图6为跑车试验中某一时间段振动响应的时域监测波形和频域分析结果。
图6 任选段落的时域监测波形和频域分析结果曲线Fig.6 Waveform diagram of time domain and frequency domain analysis of optional paragraphs
分析可知，正常情况下，航天器公路运输振动属于平稳随机振动过程，振动幅度普遍低于2g，振动频率主要集中在30 Hz以下的低频段，振动能量集中在10 Hz以内。
4.7 实车运输过程振动数据分析
根据航天器转运任务安排，发射场先后开展了5次实车运输。1次运载普通物资，4次分别运载不同型号、不同质量的航天器。5次运输路线相同，运输时间间隔为20 d左右，路面情况基本一致。5次实车运输过程的振动响应统计结果如表1所示，分析可知：
1) 振动响应幅值与运输车辆的行驶速度有关。A星和C星质量相同，C星运输车速快于A星，导致C星各监测方向的振动最大值明显高于A星。A星和B星质量相同，运输时间接近，监测结果较为一致。
2) 振动响应幅值与运载对象的质量有关。运输2吨普通物资时，系统质量偏轻，遭遇沟坎后，振动幅值会成倍增大，最高出现了5.19g。对比B星和D星运输过程，车速接近，载重越大，振动响应幅值越小。
3) 3个方向的振动响应呈一定规律。公路运输时，上下方向振动最大，主要影响源于路面凸凹不平。前后方向次之，较大振动主要源于车辆的急速减速。左右方向最小，但当路面不平整且车速较快时，振动响应也会增大。
表1 5次实车运输振动监测情况统计
4.8 航天器公路运输建议
结合上述跑车试验和实车试验分析结果，给出航天器公路运输建议如下：
1) 运输前应注意航天器和车辆质量的匹配。若航天器质量偏小，应额外增加配重或给航天器安装悬置系统，对航天器进行二次减振。同时，航天器安放位置应适当靠前以减小振动。
2) 应提前熟悉公路运输路线的质量路况，区分好坏路段并提前做好路面清理。针对较大沟坎，应用细沙铺垫或整修以减小振动。
3) 运输车速应控制在30 km/h以下，遇损坏路面、坎、坑等应平缓降低车速至10 km/h，避免急刹车，保证车辆平稳通行。
5.1 试验准备
该试验主要测量运载火箭发射产生的声波对周围设备的振动影响。某测控装备距离发射塔架1.5 km。加速度计1固定在该测控设备正面(面向火箭)，X1为上下，Y1为左右，Z1为前后，考察声波经空气传播直接作用于测控设备而产生的振动。加速度计2固定在该测控装备所在地的地面，X2为左右，Y2为前后，Z2为上下，考察声波经声-地震耦合后引发的地面振动对测控装备的影响。如图7所示。
5.2 振动数据时域分析
火箭发射升空后，获取到2个加速度计的时域监测结果如图8、图9所示。
图8为加速度计1的监测结果。振动监测于00∶51∶09.718开始，00∶52∶32.211火箭点火起飞，00∶52∶36.633(相对时间4 s)声波振动开始作用于测控装备上，00∶53∶29.460振动基本消失，整个声波振动作用时间大约持续53 s，分别于 00∶52∶52.921(相对时间16 s)、00∶52∶59.524(相对时间23 s)出现较大振动幅值。其中前后方向产生的振动幅度最大，达到了0.463g，上下方向振动幅度次之，左右方向振动最小。
图7 声波振动试验加速度计安装位置示意图Fig.7 Schematic diagram of the installation position of the accelerometersfor the acoustic vibration test
图8 加速度计1采集的振动时域波形Fig.8 Time domain waveform of vibration collected by accelerometer 1
图9为加速度计2的监测结果。从图9可知，声-地震耦合振动的响应时间与声波经空气传播直接作用于测控装备的响应时间大致相同，振动幅度最大值同样出现在前后方向，但远远小于空气直接传播产生的振动，仅为0.088g。不同于加速度计1监测结果，左右方向振动幅度次之，上下方向最小。
通过时域比较可知，相对于声波经地面传导所引发的振动，声波经空气传播所产生的振动幅度更大，对场区周边的设备的影响更大，需在后续的监测中重点关注和防范。
图9 加速度计2采集的振动时域波形Fig.9 Time domain waveform of vibration collected by accelerometer 2
5.3 振动数据频域分析
图10为加速度计1振动响应的频域分析结果。从图10中可知，声波经空气传输所产生的振动在前后方向振动能量最大，峰值能量集中在70 Hz左右，上下方向能量次之，集中在100 Hz左右，左右方向能量最小，分布在50～150 Hz区间。
图10 加速度计1振动响应频谱Fig.10 Vibration response spectrum analysis of accelerometer 1
图11为加速度计2振动响应的频域分析结果。从图11中可知，声波经声-地耦合所产生的振动在前后方向振动能量最大，左右方向次之，振动能量均集中在370 Hz左右，上下方向能量非常小且比较分散，没有明显集中在某个频段。
图11 加速度计2振动响应频谱Fig.11 Vibration response spectrum analysis of accelerometer 2
通过频域比较可知，声-地耦合所产生的振动能量明显小于声波经空气传输所产生的振动能量，与时域分析结论一致。
综上，火箭发射时，场区周边设备受到声波振动的影响。声-地震耦合产生的振动总体能量很小，对设备的影响可忽略不计。经空气传播的声波振动能量较大，对设备影响大。设备前后方向(正面)所受到的声波振动影响远大于其他方向，声波振动能量集中在相对固定的频段。
5.4 场区声波振动防护建议
火箭发射时，声波振动响应的大小、频率因火箭型号、装备距离发射塔架远近、装备固有频率、防护水平不同而有较大差异。为全面掌握场区周边各装备在不同型号火箭发射时所承受的振动，需要多点、长时间监测与分析。若发现装备受到发射声波振动影响出现可靠性降低等情况，可通过实时振动监测分析，确定振动响应大小和主要影响频段，再采取必要的防护措施。
防声波振动措施包括：一是为装备增加防护罩，使用吸声、隔音材料，提高吸声系数和反射系数，降低透射系数和绕射系数；
二是加固装备结构使其固有频率远离声振频率，可采用紧固螺丝，加强电气连接紧密性等方式。以上措施都可以在一定程度上减小声波振动对发射场测试装备的危害，提高装备使用寿命，确保安全可靠。
基于一系列振动试验及分析，研究了航天发射场2个典型振动响应的特点和规律。一方面，掌握了公路运输振动的特性，给出了航天器安全运输建议，为运输过程管控提供了技术依据；
另一方面，对火箭发射声波作用于周边测控装备的振动影响规律进行了分析，给出了防护措施。两项试验的研究结论对发射场装备振动防护和安全管理工作具有较强的指导意义。后续应继续开展更加全面的振动特性迭代分析与防护设计，为航天器发射任务实施、射后恢复等工作提供有力技术支撑。