در سفر پهناور اکتشافات فضایی، هر ماموریت تجسمی از خرد جمعی و فداکاری محققان بیشمار است. آنچه ممکن است یک ماهواره کوچک به نظر برسد، رویای بشریت برای کاوش ناشناختهها و گسترش درک ما از جهان را در خود جای داده است. با این حال، سفر آن به مدار، کوره چالشها و آزمایشها را نشان میدهد. قابلیت اطمینان فضاپیما مستقیماً موفقیت ماموریت را تعیین میکند و بر آینده اکتشافات فضایی تأثیر میگذارد. در میان فرآیندهای اعتبارسنجی حیاتی، آزمایش ارتعاش برای اطمینان از اینکه فضاپیما میتواند در برابر محیطهای پرتاب شدید مقاومت کند، از اهمیت بالایی برخوردار است.
در طول پرتاب، فضاپیماها عوامل محیطی پیچیدهای را تحمل میکنند که در آن ارتعاش تهدیدات قابل توجهی برای یکپارچگی ساختاری و قابلیت اطمینان عملکردی ایجاد میکند. احتراق شدید موتورهای موشک، تلاطم آیرودینامیکی و عملکرد اجزای مکانیکی، ارتعاشات شدیدی را ایجاد میکند که در سراسر فضاپیما منتقل میشود. قرار گرفتن در معرض ارتعاشات کنترل نشده میتواند منجر به موارد زیر شود:
- آسیب ساختاری:ترکها، تغییر شکلها یا شکستگیهایی که استحکام کلی را به خطر میاندازند
- خرابی قطعات:شل شدن یا آسیب به قطعات الکترونیکی، اپتیکی یا سیستمهای مکانیکی
- شکست ماموریت:از کار افتادن فاجعهبار سیستمها با عواقب اقتصادی و شهرتی قابل توجه
NASA-STD-7001 چارچوب معتبری را برای آزمایش ارتعاش سختافزار محموله فضایی ایجاد میکند و پروتکلهای دقیقی را برای اعتبارسنجی ایمنی و پایداری قبل از پرتاب ارائه میدهد.
استاندارد ناسا فرآیندهای تأیید ارتعاش-آکوستیک را برای سختافزار محموله متحد میکند و بهطور خاص به نویز آکوستیک با شدت بالا در طول پرواز میپردازد که از طریق تحریک آکوستیک یا ارتعاش تصادفی منتقل میشود. این سند که برای همه محمولههای حمل شده توسط هواپیما (ماهوارهها، فضاپیماها یا رصدخانهها) قابل اجرا است، نسخه فعلی (7001B) در سال 2017 جایگزین نسخه A شد.
هدف این استاندارد:
- استانداردسازی روشهای اعتبارسنجی برای محیطهای ارتعاشی مختلف در طول پرتاب و پرواز
- تعریف روشهای آزمایش، سطوح، مدت زمان و الزامات تجزیه و تحلیل دادهها
- پوشش همه محمولههای حمل شده توسط هواپیما از جمله ماهوارهها، فضاپیماهای سرنشیندار، تلسکوپهای فضایی و سیستمهای آزمایشی
NASA-STD-7001 سه رویکرد تأیید اولیه را مشخص میکند:
- آزمایش صلاحیت:استحکام طراحی را با استفاده از مقالات مشابه پرواز که در معرض شرایطی هستند که از حداکثر سطوح پرواز مورد انتظار (MEFL) با حاشیه ایمنی فراتر میروند، تأیید میکند
- آزمایش پذیرش:کیفیت تولید را با آزمایش سختافزار پرواز در شرایط MEFL یا کمی بالاتر از آن تأیید میکند
- آزمایش Protoflight:رویکرد ترکیبی که سطوح آزمایش صلاحیت را با مدت زمان پذیرش ترکیب میکند، زمانی که سختافزار صلاحیت اختصاصی در دسترس نیست
مهندسان حداکثر سطوح پرواز مورد انتظار (MEFL) را از دادههای اندازهگیری شده یا فرض شده استخراج میکنند و منحنیهای چگالی طیفی توان (PSD) را ایجاد میکنند که مقادیر پیک را هموار میکند. این استاندارد آزمایش در سطوحی را که شامل MEFL با حاشیه 95٪ احتمال/50٪ اطمینان به اضافه عوامل ایمنی اضافی است، الزامی میکند.
سیستمهای حلقه بسته آزمایشهای ارتعاش تصادفی را با محمولههای نصب شده روی لرزانندهها اجرا میکنند. این استاندارد الزامات زیر را دارد:
- محدوده فرکانس: 20-2000 هرتز
- پهنای باند کنترل: ≤25 هرتز
- آزمایش سه محوره (جهتگیریهای X، Y، Z)
- انطباق پروفایل PSD از طریق جداول نقطه شکست که فرکانس، دامنه و مقادیر شیب را مشخص میکنند
آزمایش آکوستیک که در محفظههای انعکاسی یا تنظیمات آزمایش آکوستیک میدان مستقیم (DFAT) انجام میشود، سطوح فشار صدا (SPL) را بالای 100 هرتز اندازهگیری میکند. الزامات شامل موارد زیر است:
- کنترل باند 1/3 اکتاو
- حداقل چهار میکروفون برای آزمایش میدان انعکاسی
- محل قرارگیری میکروفون مخصوص سختافزار بر اساس اندازه و پیکربندی
این استاندارد راهنماییهای دقیقی را در مورد موارد زیر ارائه میدهد:
- پیکربندیهای نصب محموله که شرایط پرواز را شبیهسازی میکنند
- تکنیکهای بریدگی برای محافظت از اجزای حساس
- محدود کردن نیرو برای جلوگیری از آسیب سختافزاری
- تنظیمات پارامترهای آزمایش برای ویژگیهای خاص محموله
ارزیابی جامع دادهها شامل موارد زیر است:
- تجزیه و تحلیل دامنه زمانی دامنهها و فرکانسهای ارتعاش
- ارزیابی دامنه فرکانس از جمله PSD و توابع انتقال
- تجزیه و تحلیل مدال برای شناسایی تشدیدهای ساختاری
- ارزیابی آسیب برای پیشبینی عمر خستگی
این استاندارد راهحلهای تجاری مقرونبهصرفه مانند طیفسنجها را در صورت برآورده کردن الزامات اعتبارسنجی دقیق، در خود جای میدهد. در حالی که واحدهای درجه فضایی ممکن است بیش از 100000 دلار هزینه داشته باشند، جایگزینهای تجاری که به درستی بررسی شدهاند میتوانند هزینههای پروژه را بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان به میزان قابل توجهی کاهش دهند.
NASA-STD-7001 استاندارد طلایی را برای اعتبارسنجی ارتعاش فضاپیما از طریق سطوح آزمایش پشتیبانی شده آماری، پروتکلهای کنترل چند محوره و تجزیه و تحلیل جامع دادهها ایجاد میکند. اجرای آن قابلیت اطمینان محموله را تضمین میکند و در عین حال نوآوریهای تکنولوژیکی و بهینهسازی هزینه را در توسعه سیستم فضایی امکانپذیر میسازد.