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背景与挑战
前往火星的竞赛是当前的热门，但是将要形成数字时代和世界互联方式的另一场正在进行的太空竞赛却没那么受关注：卫星。卫星对于我们每天使用的许多服务都至关重要。在过去的几十年中，由于市场需求的增长，近地轨道（LEO）变得越来越拥挤。为了满足本地5G网络的低延迟和千兆位连接性的要求，通过提供宽带连接实际并实现数字时代，需要开发一个多轨道卫星。它们在更接近地球的地方运行，因此提供的延迟（往返传输数据中的延迟）比任何卫星轨道都低。
此外，如欧洲航天局（ESA）哥白尼这项地球观测计划旨在实现全球的、连续的、自主的、高品质的、广泛的地球观测能力。这将提供准确、及时和容易获得的信息，以帮助了解和改善环境管理，了解和减轻气候变化的影响，并确保人身安全。在这种情况下，近地轨道（LEO）卫星至关重要。它们与地球的近距离也意味着发射这种类型的卫星比在更远距离上运行的其它类型的卫星更便宜，所需的燃料更少。
Avio VEGA项目是ESA的一项针对近地轨道任务的计划，而相关的Vega发射器是ESA的卫星运载工具，旨在将小型卫星发送到近地轨道。这个小型灵活的发射器自2012年2月首次飞行以来，Vega已成功地将20多个有效载荷送入了轨道。2014年，在ESA成员国部长级会议上，批准了Vega发射器开始下一阶段，产生了名为VEGA C的VEGA发射器的新配置，进行了性能的改进，并计划于2020年进行首飞。
图 1：Vega发射器-任务概述和阶段概述 - www.arianespace.com
在Avio技术团队克服的多项技术挑战中，其中之一是确保整个发射器结构和组件的完整性，以确保有效载荷的安全环境。实际上，任何太空火箭发射器都承受着由火箭发动机的排气流与周围大气的混合所产生的巨大的外部压力负荷。声负载对于发射器及其组件的正常功能可能至关重要，因为引起的结构振动和内部的噪声会导致电子和机械组件发生故障。
图 2：Vega和Vega C发射器
Hexagon|MSC软件解决方案
Avio的工程师使用Hexagon CAE解决方案MSC Nastran和Actran来预测整个发射器结构在起飞时的振动声学响应。该计算方法非常简单，使用MSC Nastran来有效地计算发射器结构的模态振型和相关模态频率，而Actran用于对声学环境和声学负载进行建模。
图3: 数值分析工作流程
VEGA发射器的上层部分
Avio VEGA和VEGA-C发射器由多个舱段组成，每个舱段对于发射的成功都至关重要。在任务执行期间，发射器的每个部分都有其自己的功能，有效载荷整流罩（也称为安全护盾）安装在发射器的最后一级，负责保护有效载荷。它是一个7.8米高，2.6米直径的外壳，由铝芯复合CFRP板制成，可保护有效载荷免受热负荷、空气动力学载荷、声学环境和污染的影响。
图4:Vega整流罩在ESAESTEC大型欧洲声学实验室进行上层复合结构的声学测试
为了评估升空阶段发射器上部完整的结构响应，在ESA ESTEC大型欧洲声学设施中进行了合格飞行状态的实验测试。在测试过程中，标准有效载荷被移除，布置麦克风树测量整流罩内部的声学环境。此外，结构上还装有多个加速度计。
Avio的工程师创建了整个上层结构的MSC Nastran有限元模型，使他们能够计算结构模态振型和模态频率。
通过声学测试获得的数据用于校验VEGA的上部舱段模型和评估Actran软件提供的不同仿真解决方案。进行这项研究是为了在Actran提供的模拟能力和所需的计算时间之间进行权衡，以便开发新的发射器。第一步，为了快速评估承受外部声学载荷的结构的总体性能，未对整流罩内部和外部声学环境进行建模。
直接在结构上应用随频率变化的扩散声场（DSF）激励，该强度级对应于发射时的真实声环境，并且通过叠加多个平面波的方式得到。这种快速而有用的数值策略可准确了解结构和声学确实存在弱耦合位置处的结构振动，但无法表示声腔内部的声压级和其与内部结构的相互作用。
图 5: MSC Nastran提取的模态振型
为了克服该限制，第二种解决方案探索了内部声腔的仿真。将空腔的有限元模型添加到整个结构中，并研究了两种可能性：以结构为模态分量和以空腔为物理分量的混合解；以及以结构部件和声腔为模态组件的全模态解决方案。考虑到计算时间，后一种解决方案被证明更加灵活和通用。通过将随机平面波叠加直接施加在结构的外表面上获得了扩散声随机场。
作为最终模拟，对测试状态进行了非常详细的重建，对外部环境和内部声腔进行了建模。将扩散声随机场应用于周围的外部流体域。这种模拟的主要好处是可以对外部和内部的所有环境进行精确建模，但是分析涉及的大量自由度在计算机内存和求解时间方面的消耗量也不容忽视。
图 6: 外部和内部声域中的相关麦克风和测量点
图7: Vega整流罩--振动水平比较
为了探索这种分析的高频能力，使用了高达2000Hz的有限元模型进行了仿真，事实证明，不同方法适用于新发射器开发的不同阶段。同时也确定了可能的仿真改进，例如，使用非参数变化方法（NPVM），这是一种通过Actran软件中基于的Monte-Carlo解决方案框架进行模态频率响应的非确定性方法。
新型VEGA C发射器
在使用VEGA实验测试进行验证阶段之后，实施了声学模拟方法，以评估新VEGA C结构的振动声响应。特别是针对发射器的所有最敏感部分进行了声致振动分析。分析对象是固体火箭发动机和VEGA C上部之间的处于不同配置的级间结构。
图8: Vega C常规数据
图 9: Vega C – 级间
多级火箭是使用每一级自身的引擎和推进剂的多级运载设备。通过级间结构将不同的级分开。级间结构的功能为，不同级之间的连接以及在分离阶段断开连接。这些结构对振动声环境非常敏感，因为它们包含飞行所需的许多电子设备。
如图10所示，使用了MSC Nastran和Actran的联合来评估结构的振动声响应，其中以315Hz的1/3倍频带的加速度频谱密度为例进行了报道。
图10: Vega C – 级间响应图
有效载荷适配器是技术先进的结构元件，尽管其质量很轻，但能承载重要的飞行载荷并有助于发射系统的整体刚度。Vega和Vega-C发射器都提供了极大的任务灵活性，这要归功于所提供的有效载荷适配器不同，从而可以根据不同的配置同时装载多个有效载荷。
有效载荷适配器处的振动会受到整流罩腔及相关共振的强烈影响。对有效载荷适配器振动的准确预测需要我们考虑如图11所示的声学环境，图中展示了VEGA C发射器上段的配置。
在分析中，内部有效载荷与发射器结构和声腔耦合在一起。图12中展示了其中的一种配置。可以识别（中间图）是未来的空间RIDER（欧洲返回式可重复使用的综合演示器），这是提供给欧洲航天局（ESA）尚在计划中的无人操作在轨航天器，用于为ESA提供可负担的日常太空往返，预计2022年首飞。
图 11：VegaC–有效载荷配置
测试新的建模功能
除了上述FE方法，Avio的工程团队还使用Actran虚拟SEA方法对整流罩结构进行了SEA分析。在已有有限元模型的基础上，建立了整流罩结构的SEA模型。
用Actran实现的虚拟SEA方法不需要进行任何实验或解析表达式来构建SEA模型。这是一个非常有效和经济的技术，可以将现有有限元模型的振动声学分析扩展到更高的频率，而无需SEA专业知识的要求。
此外，由于虚拟SEA方法依赖于现有的低频有限元模型，因此获得的SEA结果在低频/中频处有效，在高频和中频结果之间存在平稳过渡。
在整流罩结构上比较了测量结果和Actran Virtual SEA结果。特别是，分析了不同结构区域的平均振动水平。观察到测量值与Actran虚拟SEA结果之间的匹配非常好。它展示了这种新方法解决此类分析的潜力，并将进一步用于未来的发射器结构分析。
图 12: Vega整流罩 – 虚拟SEA分析
关于AVIO
Avio是一家领先的国际集团，从事航天发射器以及固体和液体推进系统的建造和开发。50多年来积累的经验和专业知识使AVIO处于固体、液体和低温推进器以及战术推进器领域的最前沿。Avio在意大利，法国和法属圭亚那拥有5家工厂，在全球拥有约1000名高素质人员，其中约 30％参与研发。Avio是VEGA计划的总承包商，也是Ariane计划的分包商，两者均由欧洲航天局（ ESA）资助。
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