في الرحلة الشاسعة لاستكشاف الفضاء، تجسد كل مهمة الحكمة الجماعية والتفاني لعدد لا يحصى من الباحثين. ما قد يبدو كأنه قمر صناعي صغير يحمل حلم البشرية لاستكشاف المجهول وتوسيع فهمنا للكون. ومع ذلك، فإن رحلته إلى المدار تمثل بوتقة من التحديات والاختبارات. تعتمد موثوقية المركبة الفضائية بشكل مباشر على نجاح المهمة وتؤثر على مستقبل استكشاف الفضاء. من بين عمليات التحقق الحاسمة، يحتل اختبار الاهتزاز مكانة بارزة لضمان قدرة المركبة الفضائية على تحمل بيئات الإطلاق القاسية.
أثناء الإطلاق، تتحمل المركبات الفضائية عوامل بيئية معقدة حيث تشكل الاهتزازات تهديدات كبيرة للسلامة الهيكلية والموثوقية الوظيفية. يؤدي الاحتراق العنيف لمحركات الصواريخ، والاضطرابات الديناميكية الهوائية، وعمليات المكونات الميكانيكية إلى توليد اهتزازات شديدة تنتقل في جميع أنحاء المركبة الفضائية. يمكن أن يؤدي التعرض للاهتزازات غير المخففة إلى:
- تلف هيكلي: تشققات أو تشوهات أو كسور تعرض القوة الإجمالية للخطر
- فشل المكون: ارتخاء أو تلف الإلكترونيات أو البصريات أو الأنظمة الميكانيكية
- فشل المهمة: انهيارات كارثية في النظام مع عواقب اقتصادية وسمعة كبيرة
تضع NASA-STD-7001 الإطار المرجعي لاختبار الاهتزاز للأجهزة الخاصة بحمولات الفضاء، مما يوفر بروتوكولات صارمة للتحقق من السلامة والاستقرار قبل الإطلاق.
يوحد معيار ناسا عمليات التحقق من الاهتزازات الصوتية للأجهزة الخاصة بالحمولات، معالجة على وجه التحديد الضوضاء الصوتية عالية الكثافة أثناء الطيران والتي تنتقل من خلال الإثارة الصوتية أو الاهتزاز العشوائي. ينطبق على جميع الحمولات المحمولة جوًا (الأقمار الصناعية أو المركبات الفضائية أو المراصد)، وقد حل الإصدار الحالي من المستند المتاح للجمهور (7001B) محل الإصدار A في عام 2017.
يهدف المعيار إلى:
- توحيد إجراءات التحقق من بيئات الاهتزاز المتنوعة أثناء الإطلاق والرحلة
- تحديد طرق الاختبار والمستويات والمدد ومتطلبات تحليل البيانات
- تغطية جميع الحمولات المحمولة جوًا بما في ذلك الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية المأهولة والتلسكوبات الفضائية والأنظمة التجريبية
تحدد NASA-STD-7001 ثلاثة مناهج تحقق أساسية:
- اختبار التأهيل: يتحقق من متانة التصميم باستخدام مقالات شبيهة بالطيران تخضع لظروف تتجاوز مستويات الطيران القصوى المتوقعة (MEFL) مع هوامش أمان
- اختبار القبول: يؤكد جودة التصنيع عن طريق اختبار أجهزة الطيران عند أو أعلى قليلاً من ظروف MEFL
- اختبار Protoflight: نهج هجين يجمع بين مستويات اختبار التأهيل مع مدد القبول عندما لا يتوفر جهاز تأهيل مخصص
يشتق المهندسون مستويات الطيران القصوى المتوقعة (MEFL) من البيانات المقاسة أو المفترضة، مما يؤدي إلى إنشاء منحنيات كثافة القدرة الطيفية (PSD) التي تعمل على تنعيم قيم الذروة. يتطلب المعيار الاختبار على مستويات تشمل MEFL بهوامش احتمالية 95٪ / ثقة 50٪ بالإضافة إلى عوامل أمان إضافية.
تقوم الأنظمة ذات الحلقة المغلقة بتنفيذ اختبارات الاهتزاز العشوائي مع تحميل الحمولة على الهزازات. يفرض المعيار:
- نطاق التردد: 20-2000 هرتز
- عرض النطاق الترددي للتحكم: ≤25 هرتز
- اختبار ثلاثي المحاور (اتجاهات X و Y و Z)
- الامتثال لملف تعريف PSD عبر جداول نقاط التوقف التي تحدد قيم التردد والسعة والانحدار
يتم إجراؤه في غرف الصدى أو إعدادات اختبار الصوت الميداني المباشر (DFAT)، يقيس الاختبار الصوتي مستويات ضغط الصوت (SPL) فوق 100 هرتز. تشمل المتطلبات:
- التحكم في نطاق 1/3 أوكتاف
- أربعة ميكروفونات على الأقل لاختبار المجال الصدوي
- وضع الميكروفون الخاص بالأجهزة بناءً على الحجم والتكوين
يوفر المعيار إرشادات مفصلة حول:
- تكوينات تركيب الحمولة التي تحاكي ظروف الطيران
- تقنيات الشق لحماية المكونات الحساسة
- تحديد القوة لمنع تلف الأجهزة
- تعديلات معلمات الاختبار لخصائص الحمولة المحددة
يتضمن تقييم البيانات الشامل:
- تحليل المجال الزمني لسعات وترددات الاهتزاز
- تقييم المجال الترددي بما في ذلك PSD ووظائف النقل
- تحليل الأنماط لتحديد الرنين الهيكلي
- تقييم الضرر للتنبؤ بعمر الإجهاد
يستوعب المعيار الحلول التجارية الفعالة من حيث التكلفة مثل مقاييس الطيف، بشرط أن تفي بمتطلبات التحقق الصارمة. في حين أن الوحدات ذات الدرجة الفضائية قد تتجاوز 100000 دولار، يمكن للبدائل التجارية التي تم فحصها بشكل صحيح أن تقلل بشكل كبير من تكاليف المشروع دون المساس بالموثوقية.
تضع NASA-STD-7001 المعيار الذهبي للتحقق من اهتزاز المركبات الفضائية من خلال مستويات الاختبار المدعومة إحصائيًا، وبروتوكولات التحكم متعددة المحاور، وتحليل البيانات الشامل. يضمن تنفيذه موثوقية الحمولة مع تمكين الابتكار التكنولوجي وتحسين التكلفة في تطوير نظام الفضاء.