航天有效载荷热力环境实验平台
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概况
航天有效载荷热力环境实验平台位于中科院力学所怀柔钱学森工程科学基地，实验室面积400多平米，先后购置了振动、冲击、高低温循环、3D激光测振仪等具有国内先进水平的热力环境实验装备和测量装备。目前已承担了多项重大任务的力学环境测试，对项目及时、顺利地开展起到了支撑作用。
实验平台相关仪器设备、基础设施和支撑队伍齐全，操作规程、分析测试和运行管理等相关规定完备，前期承担的科研项目和测试任务取得了良好的效果。实验平台于2015年1月顺利通过了GJB9001B质量体系认证，具备了开展航天有效载荷热力环境试验的能力和出具产品试验证明书的资格。
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航天结构及有效载荷力学环境试验目的与意义
在航天器全任务过程中（包括运输、装卸、发射、飞行、分离、着陆、返回等），都要经历各种类型的力学环境，包括振动、噪声、冲击、加速度、热循环等。上述力学环境可能会对航天器及其有效载荷造成变形或损坏，从而导致飞行任务的失败。通过地面的热力环境模拟测试服役环境，来检验或解决航天器及有效载荷的热力环境适应性问题，从而发现隐患、改进设计、避免早期失效。
目前国内主要的力学环境测试实验室包括航天511所，702所，他们可以开展大规模的整星乃至整弹力学环境试验。力学所的热力环境测试的特点是主要针对中小型的有效载荷，开展比较细致的力学环境测试（详见表1）。与国内同类实验室一样，力学所的热力环境实验平台通过了国军标9001质量体系认证，同时主要的设备如振动台、冲击台每年由相应的计量单位进行检测，以保证测量的精度要求。
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实验室热力环境试验能力
目前，实验室可以涵盖航天100kg以下各种有效载荷所有基本的振动、冲击力学环境和高低温循环热环境试验。
表1 力学所力学环境实验室主要测试的项目和指标
| 序号 | 试验名称 | 可实现指标 |
|---|---|---|
| 1 | 随机振动 | 最大负载150kg，随机振动频率范围5-2500Hz，均方根过载~30g |
| 2 | 定频正弦振动 | 最大负载150kg，随机振动频率范围5-1000Hz，均方根过载~10g |
| 3 | 正弦扫频振动 | 最大负载150kg，随机振动频率范围5-1500Hz，均方根过载~10g |
| 4 | 半正弦冲击 | 最大负载100kg；半正弦波脉冲峰值加速度10~300g，半正弦波脉冲持续时间2~30ms。 |
| 5 | 冲击响应谱 | 最大负载100kg；最大响应谱加速度8000g，响应频率范围10~8000Hz，拐点频率400~1600Hz |
| 6 | 高低温度循环 | 可开展高低温试验、温循试验和湿度试验。温度范围：－70℃～150℃；温变速率15℃/min(-40℃~85℃线性，-55℃~85℃平均)；湿度范围：10%～98%。 |
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主要设备及功能
(1) 单向振动台
可以实现单向的随机振动、正弦扫描、半正弦冲击、冲击响应谱四种激励方式，基本参数指标：
(a) 额定正弦激振力：60kN，额定随机激振力：60kN，冲击激振力：120kN
(b) 使用频率范围：5-2700Hz
(c) 最大空载加速度：1000m/s2
(d) 最大速度：2m/s
(e) 最大位移p-p：51mm
(f) 垂直台最大负载：800kg
图1 单向振动台
(2) 双单向振动台
可以实现双向的随机振动、正弦扫描、半正弦冲击、冲击响应谱四种激励方式，基本参数指标：
(a) 额定正弦激振力：70 kN，额定随机激振力：70kN，冲击激振力：140kN
(b) 使用频率范围：2-2000Hz
(c) 最大空载加速度：1000 m/s2
(d) 最大速度：2m/s
(e) 最大位移p-p：51mm
(f) 垂直台最大负载：1000kg
图2 双向振动台
(3) 气动水平冲击及响应谱综合试验台
可实现高量级的冲击响应谱和半正弦冲击激励，基本参数指标：
(a) 最大响应加速度：80000 m/s2
(b) 响应频率范围：10~10000Hz
(c) 半正弦波脉冲峰值加速度：100~3000 m/s2
(d) 半正弦波脉冲持续时间：30~2ms
(e) 响应板尺寸：600mm*600mm
(f) 最大负载：100kg
图3 气动水平冲击及响应谱综合试验台
(4) 快速温变湿热试验箱
可开展高低温试验、温循试验和湿度试验。
图4 快速温变湿热试验箱
温度范围：－70℃～150℃；
温变速率：？15℃/min(-40℃~85℃线性，-55℃~85℃平均)
湿度范围：10%～98%。
(5) 电热鼓风干燥箱
可以做干燥、烘焙、热处理、高温等试验。温度范围为室温20℃～300℃。
图5 电热鼓风干燥箱
(6) 扫描式3D激光测振仪
三维激光测振仪（PSV-400）为扫描式，可以用于测量被测物的速度、位移，并能够被测物的各阶频率振型、频响函数等，其主要技术参数如下：
速度分辨率：好于0.02μm/s/1Hz带宽
位移分辨率：好于0.15nm
频率范围：DC-24MHz
最大速度：20m/s
工作距离：0.5m~100m
扫描点数：1~512*512个
扫描速度：每秒超过30个点
扫描对象：1mm~40m
图6 扫描式3D激光测振仪
(7) 控制系统
振动台的控制系统采用美国Spectra Dynamic振动与冲击控制软件，硬件为SD2570采用增强型VME总线，每个机箱可安装1块系统控制器模板，10块MACH5模板，每个MACH5模块最多可以具有10个并行输入通道或8个并行输入通道＋1个输出通道或6个并行输入通道＋2个输出通道或4个并行输入通道＋3个并行输出通道。
冲击台的控制系统采用东菱振动仪器公司研制的冲击响应谱及半正弦冲击专用软件Shock DAQ。
图7 测量系统(a) Spectra Dynamic; (b) Shock DAQ
(8) 测量设备及传感器
冲击测试用传感器采用美国PCB公司的传感器，测试量程~10000g。同时采集通道数为4通道。
振动测试用单向传感器6个，双向传感器2个，主要用于测量被测物的加速度响应信号，并对振动台进行控制，其型号及性能分别如下表所示。
| 传感器型号 | 编号 | 性能指标 |
| CA-YD-106 | 25846 | 灵敏度2.80pc/ms-2，最大允许加速度1.5*104ms-2，频率范围0.5~12kHz |
| CA-YD-106 | 20723 | 灵敏度2.90pc/ms-2，最大允许加速度1.5*104ms-2，频率范围0.5~12kHz |
| CA-YD-103 | 20116 | 灵敏度1.63pc/ms-2，最大允许加速度1*104ms-2，频率范围0.5~10kHz |
| CA-YD-103 | 20943 | 灵敏度2.08pc/ms-2，最大允许加速度2*104ms-2，频率范围0.5~10kHz |
| CA-YD-103 | 20947 | 灵敏度2.08pc/ms-2，最大允许加速度2*104ms-2，频率范围0.5~10kHz |
| KD2005 | 0114 | 灵敏度X: 1.383pc/ms-2，Y: 2.367pc/ms-2，Z: 2.367pc/ms-2 最大允许加速度5*103ms-2，频率范围0.5~5kHz，谐振频率：25kHz |
图8 各类传感器
(9) 电磁激励设备（激励器）
设备用途：
大中型仪表零件的环境振动、疲劳试验、中小型结构测定动态响应、共振频率和机械阻抗的测试、模态试验等，也可作为小型振动台使用。
主要参数：
激振力±500N级2台，±200N级2台，±100N级2台
频响：DC~2000Hz
最大振幅：10mm
最大加速度：55g
图 9 电磁激励器
(10) 液压作动器
设备用途：
材料疲劳试验、结构强度试验。根据需要通过产品自带的位移传感器进行伺服控制。用于执行主控制器的命令，控制负载的速度、位移、力。
主要参数：
±50kN 2台，±2kN 2台，±1kN 2台，±500N 4台
频响：0~50Hz
控制：载荷、位移
图 10 疲劳试验机（液压作动器）
5.服务案例
目前已承担了多项重大任务中航天有效载荷的力学环境测试，对大气密度测量子系统、红外相机子系统、温度测量子系统等有效载荷研制工作提供了有力的支撑。
图11 随机振动力学环境试验测试现场
图12 某航天有效载荷振动试验
图13 某航天有效载荷模装件振动试验
图14 某航天有效载荷冲击响应谱试验
图15 某有效载荷随机振动力学环境试验数据（均方根过载20g）
图16 某有效载荷正弦扫频振动力学环境试验数据（5-100Hz）
图17 半正弦冲击试验（120g/4ms）
图18 冲击响应谱试验（7000g，50-8000Hz/1000Hz）