動力學環境試驗

動力學環境試驗是航天器的重要試驗項目。其目的一方面是對航天器的結構設計進行驗證,使航天器在其整個壽命期能夠經受各種動力學環境而正常工作,另一方面就是對航天器的製造質量進行環境檢驗,發現材料、製造工藝等方面的潛在缺陷,從而保證航天器的在軌可靠性。 ^[2] 

衝擊環境主要是由點火、關機、分離、解鎖等火工品工作引起的，稱為爆炸衝擊。太陽電池翼的展開、重力梯度杆和天線的伸展也會產生衝擊。航天器在返回、着陸、着水時雖有降落傘等減速並採取各種緩衝措施，衝擊仍較嚴重。衝擊頻響很寬，上限達20千赫，衝擊源附近的過載響應高達10000g，作用時間以毫秒計，衝擊響應隨時間、距離的增大而衰減很快。在試驗室常用趺落式或撞擊式衝擊台進行衝擊模擬試驗，所模擬的衝擊譜在低頻段偏於保守。爆炸衝擊產生振盪衰減型衝擊響應與單脈衝衝擊不同，用真實火工品模擬（如爆炸螺栓模擬分離解鎖等）效果較好。還可以在試驗室用振動台模擬衝擊譜的合成或瞬態波形的復現，但技術難度大，費用高。如圖1所示。

振動環境主要來自發動機噪聲、氣動噪聲、發動機推力脈動等。結構傳遞的振動頻率一般在500赫以下，空氣傳遞的振動頻率為10赫～10千赫，都是寬頻帶隨機振動，振動響應大小取決於結構的動特性，一般在100g以內。模擬振動的主要設備是振動台，配以水平滑台可實現三個方面的振動。振動台分為機械式、電磁式和電液式三種。機械式適用於100赫以下的振動試驗，電磁式適用於5～3000赫的振動試驗，電液式適用於極低頻到300赫以下的振動試驗。振動試驗分單頻共振試驗、正弦掃頻試驗和隨機振動試驗。單頻共振試驗用於強度考核。正弦掃頻試驗因簡單、經濟而被廣泛用作隨機振動的等效試驗。70年代模擬比較真實的隨機振動試驗技術有了很大的發展。

如圖2所示。

聲學激振試驗廣泛應用於大型航天器，總聲壓級可達150～157分貝。對於面積/重量比大的部件，如太陽電池翼和拋物面天線需要進行聲振試驗（體積小、結構緊湊的航天器可用隨機振動代替聲振試驗）。把航天器按發射狀態的邊界條件放在聲學混響室內，用高聲強的氣動揚聲器激勵達到要求的聲強和聲譜；也可以把航天器置於特殊形狀多聲道的行波塔內，模擬高聲強氣動噪聲。中國試驗通信衞星採用這種方法進行聲振試驗。

完成動力試驗需要測量、控制和數據處理系統，如加速度（或速度、位移）傳感器、應變計、拾音器、信號調節器、頻譜分析和合成儀、電平記錄儀、示波器和計算機等。80年代振動試驗廣泛採用正弦帶谷掃頻、多點平均控制、數控隨機振動等新方法，引入了試驗裁剪、應力篩選等新概念，使可靠性試驗和環境試驗結合起來。電子技術的進步，使試驗設備向着以小型、微型計算機為主體的數字控制、多功能、多終端、實時數據處理系統方向發展。先進的振動試驗系統已能作正弦、隨機和瞬態衝擊等多種試驗，還能兼作振動數據處理和模態分析。

美國一直非常重視航天器故障診斷技術，是最 早開展故障診斷研究的國家。在20世紀80年代以前，主要採用狀態監測和基於算法的故障診斷，如 Woosley等人研究的太空實驗室的太陽帆板和電源系統的監測和控制系統。 在航天飛機方面，Rogers等人利用人工智能開發工具KEE和G2開發了一個實時的故障診斷系統，對航天飛機的主發動機進行了診斷。它除了 利用傳感器信息外，還利用了歷史和工程的規則庫。Duyar描述了航天飛機主發動機基於模型的故障監測和診斷系統的概念設計，同時還利用了神經網絡技術模擬發動機高度的非線性和複雜性。 在“自由號”空間站方面，Davis等人在20世紀90年代初就對“自由號”空間站的系統安全提出了要求，其中就包括故障診斷和檢測系統。Morris等人對“自由號”空間站外部熱控系統進行了研究，開發了半物理半仿真的故障診斷的演示系統。 在“國際空間站”方面，Thurman討論了空間站熱控系統的自動化系統，特別對其監測控制、故障診斷、故障恢復技術及其軟硬件進行了研究。 “深空探測1號”第一次採用了在軌規劃器。該規劃器是基於人工智能控制體系結構的一部分，該結構還包括任務執行機構和基於模型的故障診斷和系統重置結構。Aljabri研究了自動化技術和融合技術在“深空探測1號”中的應用，採用遠程智能體（RA）進行故障診斷。

歐洲在航天器故障診斷技術方面也進行了很多研究，開發了一些實用的故障診斷系統。在運載火箭方面，德國的Matijevic在20世紀90年代初就開發了基於模式識別的專家診斷系統，用來對液體火箭發動機進行故障診斷。法國的Delange等人也研究了一種用於Ariane-V火箭發動機的監測系統，具有診斷速度快、準確率高，能在發動機發生嚴重故障前關閉發動機的特點。現在歐空局已提出了未來的運載火箭技術方案（FLTP），其中很重要的一項就是系統健康監測系統，原計劃於2007年完成。此外，在德國D2空間實驗室任務中，Hotop等人研究了其中遙控設備的健康監測和故障管理系統，主要採用基於定性知識的專家系統。在“哥倫布”實驗艙方面，Funke對實驗艙的環境控制和生命保障（ECLSS）技術進行了研究。Dellner針對歐洲可回收平台——“尤里卡”平台（EURECA）的冷閉合系統，採用多值邏輯技術，開發了基於知識的故障管理和故障診斷系統。

日本對航天器的故障診斷技術研究非常重視，特別是H-2火箭接連發射失敗後，日本加大了在這方面的投資。在實驗艙（JEM）方面，從20世紀80年代末的Shiraki到現在的Yoshikawa等人對實驗 艙的環境和生命支持系統（ECLSS）的診斷技術作了詳細深入的研究。Sakamoto等人對H-2運載火箭的發動機實時監測技術作了分析。Iwata等人利用基於知識的專家系統和多傳感器技術對衞星系統進行故障診斷與健康監測。

俄羅斯在故障診斷技術方面具有先進的技術和豐富的實踐經驗。Katorgin等人對大功率液體火箭發動機開發了健康監測和壽命評估與預測系統。Vasilchenko等人對“暴風雪號”（Buran）航天飛機 開發了軌道實時自動監測、預測系統，並向航天員提供可視化信息，便於其監測和控制航天飛機的運行狀況。

近年來，我國在航天器故障診斷技術方面對國 外相關技術進行了跟蹤研究，主要在理論上做了一 些研究工作。北京控制工程研究所研製出了衞星控制系統實時故障診斷專家系統原形（SCRDES），將其用於衞星地面檢測以及衞星飛行狀態的地面在線實時故障診斷。哈爾濱工業大學分別與中國空間技術研究院等單位合作對載人飛船和空間站電源系統、推進系統以及“風雲”衞星的故障診斷進行了 深入的研究，取得了一定的經驗，並且已經分別 開發出故障診斷原型系統。但是，國內所開發的大部分故障診斷系統基本上還屬於實驗型，要達到實用化階段還有許多工作要做。航天器的地面環境試驗對提高航天器的可靠性起着至關重要的作用，關於航天器環境試驗中故障診斷系統的研究更是勢在必行[2]。

(1) 故障診斷系統已從原來單一的各個分系統（如電源系統和熱控系統）的故障診斷專家系統向 着集系統狀態監測、故障診斷和故障修復為一體的航天器集成健康管理（IVHM）系統發展。

(2) 故障診斷方法已由原來單一的診斷方法（如基於規則診斷方法、基於故障樹診斷方法等）向着各個診斷方法相結合的方向發展。但對於航天器這樣複雜的大型結構，為了滿足其實時性要求，其診斷系統的核心部分（即診斷推理模塊）一般都採用基於模型的推理，而且這個推理模型對於系統級推理通常採用定性模型或因果依賴關係模型，很少直接採用定量模型。

(3) 隨着計算機技術的飛速發展，故障診斷系統也採用了許多新的技術，如網絡化技術、組件化技術、優秀的人機界面技術等。這對於診斷系統的開發和維護、資源的合理利用以及遠程診斷技術提供了有力的支持。

航天器動力學環境試驗故障診斷專家系統要求能根據測得的振動加速度響應信號與應變信號對航天器結構的變化進行實時監測。若發現異常能夠及時給出報警信息，並根據已知的故障模式進行診斷，確定故障源。根據航天器結構故障診斷的需求，在設計診斷系統方案時應遵循以下幾條原則：

(1) 保證系統的通用性和可擴性。為了使所設計的航天器故障診斷專家系統能夠適應大多數航天器型號的使用要求，應採用模塊化系統結構設計，使設計更加靈活合理，便於對診斷系統進行擴充和完善。

(2) 保證系統的高可靠性。採用軟件工程中的數據流思想進行軟件開發，並採用單元測試、集成測試和確認測試等測試手段對軟件系統進行嚴格測試。這不僅便於診斷系統的開發和管理，而且可大大提高診斷系統軟件的可靠性。

(3) 提供良好的人機交互功能。診斷系統應儘量為用户提供更多的有用信息，幫助人們快速進行故障定位。為此，診斷系統提供的人機交互功能主要包括

① 實時顯示各測點遙測數據及報警信息，畫面要清晰、直觀；

② 允許用户查詢各種數據，提供詳細的診斷解釋信息，提高系統的透明度；

③ 允許用户修改各種故障數據。

(4) 提供知識庫管理系統，便於知識庫的擴充。專家系統是一個知識和數據處理系統，其性能取決於它擁有的知識的數量和質量，而專家系統的知識需要在系統的使用過程中不斷擴充和完善。為此須設計一個專用的知識庫管理系統，使用户可以很方便地對知識庫進行修改和擴充，並能進行簡單的維護。

(5) 採用標準數據庫，便於數據信息交互。選 擇通用數據庫存儲數據信息，使數據接口更為標準化，而且故障診斷系統的各功能模塊也能夠以通用數據庫為中心進行工作 [3] 。

航天器動力學環境試驗故障診斷專家系統應能完成各種數據的存儲管理、通訊、分析及對故障的監測報警、診斷解釋等任務。其系統結構如圖3所示。

1.診斷系統各模塊及主要功能

(1) 數據通訊模塊：接收推進系統各測點的仿真或遙測數據，進行數據預處理後轉換成固定格式存入測點數據庫，供分析和診斷軟件使用，同時將當前數據以內存交換方式提供給測控報警模塊。

(2) 測控報警模塊：實時監測各測點的狀態，遇異常即在屏幕上給出報警信息，並存入報警信息庫

(3) 報警信息查詢模塊：查詢報警記錄，使用户迅速瞭解航天器各平台故障形式。

(4) 報警參數庫管理模塊：提供輸入、刪除、修改、查詢等功能。

(5) 數據查詢模塊：利用多種方式查詢各測點的數據記錄，並以報表的形式打印輸出。

(6) 故障診斷模塊：根據當前獲取的測點數據，利用知識庫中的診斷知識，模擬人類專家解決問題的方式對推進系統存在的故障進行推理診斷。它不僅能診斷航天器結構當前存在的故障，還能根據歷史數據對航天器結構過去某一時刻的運行狀態進行診斷。

(7) 徵兆獲取模塊：採用故障樹的形式，對測點數據進行分析處理，提出故障判據，存入徵兆事實庫。

(8) 診斷解釋模塊：向用户解釋診斷推理依據，增加系統的透明度。

(9) 故障對策模塊：針對診斷結果，根據知識庫中對策知識提供相應的故障對策。

(10) 知識庫管理模塊：提供輸入、刪除、修改、查詢等管理功能，使用户不必瞭解知識庫的內部結構即可方便地修改和擴充知識庫；另外還可提供語法檢查功能。

2.診斷系統應包含的7個庫文件

(1) 測點數據庫：存放各測點的振動加速度數據或應變數據，包括當前和歷史數據。

(2) 報警參數庫：存放各衞星平台結構各測點的報警閾值，供監測報警和故障診斷用。

(3) 報警信息庫：存放一組報警記錄，包含航天器所屬結構平台、報警的時間、報警測點名稱及實測數據等。

(4) 故障參數庫：存放一組故障記錄，包含航天器所屬平台、故障發生的時間及故障名稱等信息。

(5) 解釋對策庫：存放當前診斷結果，診斷解釋及相應的故障對策等信息。

(6) 知識庫：存放航天器結構故障診斷有關的各種知識，包括診斷知識和對策知識等。(7) 徵兆事實庫：存放系統推理過程中用到的所有徵兆事實。

論述的航天器動力學環境試驗故障診斷專家系統可以採用模態參數、頻域參數、小波係數等作為故障診斷的特徵向量。在這裏特別討論一下小波係數作為故障診斷特徵向量的可行性。

1.小波變換簡介

小波變換思想是由法國從事石油信號處理的工程師Morlet在1984年首先提出的。 小波變換從基函數角度出發，吸取傅立葉變換中的三角基與短時傅立葉變換中的時移函數的特點，形成振盪、衰減的基函數。它在時域和頻域方面同時具有良好的局部化性質。小波分析的基本思想是用一組函數去表示或逼近一個信號或函數，這一組函數稱為小波函數系，它是通過一基本小波函數的平移和伸縮構成的。

2.基於小波係數進行故障診斷的應用驗證為了驗證基於小波分析的故障診斷原理的正確性，進行了衞星簡化結構的典型故障試驗。

試驗結果表明：

(1) 小波變換的多分辨分析特性，為衞星結構的故障診斷提供了有效的分析手段。

(2) 試驗中，充分利用了小波變換的多尺度特性，運用小波分解算法，將不同頻段的信號分解到相應的頻帶中，信號在不同頻段的分佈特徵是判斷故障類型的重要依據，從而達到提取故障特徵的目的。

(3) 結果與理論分析相一致，表明在衞星結構正弦掃頻信號的故障特徵選擇及特徵提取中，小波分析理論作為一種工具，起着很重要的作用。 ^[3] 

宇航動力學國家重點實驗室於2009年9月經科技部批准立項建設，依託單位為西安衞星測控中心，具有獨一無二的測控設備、測控數據和工程實踐優勢，是我國彙集航天器軌道、姿態動力學專業人才和科研成果最齊全的實驗室。 ^[4]