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中国造火箭,为什么离不开振动台?

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出品|网易新闻

导语:10月31日,神舟十六号载人飞船返回舱成功着陆。从2003年10月,“神五”飞天成为中国首次载人飞行任务成功。在这20年间,从神舟系列到嫦娥号,我国火箭事业蓬勃发展。除了杰出的航天人为载人工程作出了的贡献,一台台看似普通的振动平台亦为航天工程快速发展立下“汗马功劳”。


央视关于中国载人航天20周年报道

一、振动试验平台:不起眼的“大国重器”

1)无处不在的振动台

抗冲击和振动试验的“振动平台”在大型工厂中会比较常见,被广泛用于冶金、模具/食品、化工、建材等行业。2020年在商务部和科技部发布的《中国禁止出口限制出口技术目录》中在第九大类“专业设备制造业”,新增的第32条,“大型振动平台设计建设技术”证明了我国大型振动台目前在世界范围的实力。


2020年《限制出口技术目录》部分截图

振动平台作为科学研究和可靠性的重要手段,起源于二次世界大战。二战期间,美军大量武器和军用器材运达前线时常常不能使用,经研究才知道,是由于器材在运输时振动所致的损坏。

军工、航天产品,在出厂之前都要经过各类振动测试的“考验”。振动台能够模拟航天器在运输、飞行等使用过程中的振动环境,是火箭、卫星研制的必需设备,振动行业与国防军工有直接命脉关系。

《目录》提到的“双轴同步振动试验平台”主要用于模拟细长型产品的振动试验,比如空空导弹表面的气动扰流和载机的机动抖振,振动强度大,持续时间长,对导弹结构和性能的影响也最为严重。“挂飞振动”等复杂动力环境是造成导弹发射失败的重要因素之一。


导弹、挂架和结构支撑体系统挂飞振动试验

随着航空航天、军工等科技的飞速发展,振动台在台面尺寸和推力等方面无法满足承载大躯体、大运载的振动试验要求。可以满足新一代火箭、空间站、大飞机、航母等大部件乃至整机的可行性试验需求。

频率和推力(吨数)成为振动台评判的重要性能指标。

2)火箭等航天器为什么离不开大推力振动台?

在航天器发射过程中,通过振动平台检测航天器是否“良好”的重要性不言而喻。运载火箭等航天器在发射和动力飞行期间,必须承受由于起飞、级间(整流罩)分离、二次点火、关机和航天器入轨等各项程序引起的振动、噪声、冲击和加速度等动力学载荷。种种动力学环境会对航天器上组件造成结构性的损坏,从而会影响发射任务的完成,甚至导致整个飞行任务失败。


载人运载火箭贮箱正在进行多机并联静动联合试验

因此在航天器发射前必须利用振动台,模拟这些力学环境的地面试验设备中进行环境试验。不断试验火箭振动时的环境条件,检测部件是否保持完好无损,继而进行对应的整改和优化,增强火箭的成功率。

判断振动台的先进性,推力是重要的衡量标准。振动台的推力统一以“吨”为单位,1吨就是指振动台能产生9800牛的推力。

目前我国702所自主研发建成了70吨世界最大推力单体电动振动台和140吨的多台并激振动试验系统。


702所自主研制的70吨单体电动振动台

二、1吨推力1吨金

由于振动试验平台可用于国防军工、航空航天等敏感领域,与其余很多“大国重器”一样,在振动台上也经历过欧美的技术垄断与禁运封锁。

1)有钱也买不到

上个世纪80年代以前是禁运1吨以上推力的振动平台,90年代后改为禁运5吨以上推力的振动平台,后又改为禁运9吨以上。当时业界甚至有“1吨推力1吨金”的说法,最基础的1吨级振动台,当时美国曾开出了单价便高达4亿元。但国防军工等领域所需的更高推力振动台,即使再有钱也买不到。

20世纪,世界上电动振动台有两大王牌企业:英国的“菱”公司(即Ling Dynamic Systems)和美国的“菱”公司(即Ling Electronics),掌握了振动试验台的高端制造技术,垄断和主导振动行业的发展。

1969年7月16日,美国“土星5号”火箭载着“阿波罗11号”飞船成功发射,开始了人类首次载人登月的太空征程。这款半个多世纪前研制的全球最厉害的火箭,其推力高达3408吨,具备将140吨重量的物体送入近地轨道的强大能力,阿姆斯特朗这才得以登陆月球。根据公开资料,美国测验“土星五号”的振动台,采用是8个液压驱动器的并联振动台,当时其振动台推力约为29吨左右。


“土星5号”火箭已成为“绝唱”,目前美国自己也造不出

2)买不如造,走出困境

1995年, “苏州东菱振动”成立开始了自研之路,创始人王孝忠先生曾经说过,取名叫“东菱”,是以赶超“欧美之菱”为目标,寓意“东方之菱,民族之菱”。

“东方之菱”果然不负众望, 先后打破中国的多项纪录:2002年,国内首台6吨级风冷式振动台研制成功,;2004年国内最大的16吨级水冷式振动台问世,为神舟六号载人飞船保驾护航,从此彻底打破了欧美对中国大型振动试验台的技术封锁和禁运。


东菱成功研发的16吨水冷式电动振动试验系统

三、中国大型振动台技术如何取得“主动权”

1)美国的大型并联电动振动台

经过数十年的发展,美国已研制出了比“土星五号”所使用的振动台更大的并联振动台。2008年,美国TEAM公司建造成450吨的振动台,用以对“太空发射系统”(SLS)进行测试,这一振动台由20个液电混合驱动器组成,可以对直径7.2米、高22.8米的火箭进行振动测试。


美国NASA的大型振动试验设备

并机系统有诸多先天性缺陷,是一种推力达不到情况下的权宜之策。多台并机结构需要在多台小推力的振动台顶部附加一个大尺寸、大质量的公共台面,附加台面易引起台面振型模态的变化、大幅降低台面运动的均匀度指标等试验问题,从而使整个振动试验系统的有效推力与可靠性大幅降低。

中国选择在另一种技术上取得突破,我国振动台发展迎来关键节点。

2)中国电动振动台从50吨、70吨到140吨

2006年,具有自主知识产权的世界最大推力的35吨电动振动台在苏州东菱诞生。全程参与我国从“神五”到“神九”,从“天宫”到“嫦娥”等所有载人航天工程重要设备的振动和力学动力冲击试验。

电动振动试验系统是一种频率范围广、能贯彻从低频到高频的振动试验系统,工作原理是由固定磁场和装在该磁场中通以电流的动圈相互作用作用产生激振力,当动圈线圈通以交变电流时,动圈就会产生对应的交变运动。


电动振动试验系统原理

对于宇宙飞船、空间站、火箭等体积大、分量重的部件,就只能使用大推力电动振动台了。然而,多台设备的同时运转不仅很难达到测试航天器所要求的频率,而且当两台振动台都达到2000赫兹时,它们的扫频范围就会降低两三百赫兹,火箭的体积越大,重量越重,频率衰弱得就会更加严重。

除了苏州东菱以外,另一家苏试仪器也取得了重大突破,2009年开发出代表我国力学环境试验领域最高水平的三轴同振电动振动试验系统、国内最大的40吨电动振动台、多点并激电动振动试验系统、四综合电动振动试验系统等多个新产品。


苏试三轴六自由度电动振动试验系统

2012年中国航天科技集团公司一院702所成功将总推力高达70吨的电动振动试验系统,振动系统采用了碳纤维增强、节能控制和新一代IGBT智能模块功放等先进技术,可靠性高、适用性强。

而70吨的振动台问世对我国新一代运载火箭“长征五号”也有着很重要的推动作用。因为“长征五号”整流罩的尺寸和重量都有所增加,70吨的振动台完全可以满足“长征五号”的振动试验需求,也能够满足下一代大型运载火箭的振动试验需求。

2016年2月,中国航天科技集团公司五院总装与环境工程部自主研制的140吨振动试验系统,具有完全独立的自主知识产权。顺利完成验收测试及某型号振动环境试验。


五院总环部自主研制的140吨振动试验系统,右为示意图

除了航天工程,2018年,航天希尔公司和比亚迪签订了20吨感应式振动台的销售合同。这是我国首次将大推力的感应式振动台应用于新能源领域。

2022年2月,702所中标了中国核动力研究设计院的振动试验项目,70吨电动振动台将为我国的核动力工程进行试验,这是我国航天高科技首次应用于核动力工程。在未来我国的大型振动台还将应用于更多领域。

结语:

很多自媒体说“美国没有我国的振动台就无法发射火箭”,这确实是夸大其词,美国仍然掌握着很多世界顶尖技术,比如,我国至今还没有像“土星五号”这样的运载火箭,中国人也还没能登上月球。但是围堵中国“卡脖子”科技封锁,是不能遏制住中国制造自主研发追赶的脚步,就像新加坡总理李显龙说的:“围堵会让中国变得更高更强”,现在我国大型振动平台技术的跨越式发展就是最好证明。

参考文献:

[1]机载战术导弹挂飞环境地面振动试验方案研究, 1672-9242(2018)01-0070-04, 魏英魁 ,张晓颖

[2]航天希尔在大型振动台上的试验案例、场景

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