Разработка линейного подшипника оборудования для модальных испытаний низкочастотных слабо демпфированных конструкций космических аппаратов

В данной статье приведены результаты исследования несущей способности и диссипативных свойств аэростатического линейного подшипника, разработанного в АО «РЕШЕТНЁВ» для модальных испытаний сложных конструкций. При выборе оборудования для проведения модальных испытаний главным условием выступает требование о минимизации вносимых искажений в определяемые динамические характеристики: частоты собственных форм колебаний, сами формы колебаний, а также модальные массы и коэффициенты демпфирования. Другими словами, всё используемое для наземных модальных испытаний оборудование должно в идеальном случае иметь нулевые присоединённые массу, жёсткость и трение. Основными системами, содержащими элементы, создающие диссипативные силы, влияющие на определение коэффициентов демпфирования, являются системы компенсации веса и возбуждения колебаний на собственных формах. Система компенсации веса, как правило, содержит в своём составе либо упругие элементы, либо систему направляющих с подшипниками качения или скольжения. Если первые приносят в объект испытаний дополнительные жёсткость и массу, то вторые – массу и трение (сухое или вязкое), что увеличивает погрешность в определении динамических характеристик. Возбуждение колебаний на собственных формах, в большинстве случаев, осуществляется электродинамическими вибраторами, состоящими из катушки подмагничивания (или постоянного магнита) и подвижной катушки, перемещающейся в магнитном зазоре. Подвижная катушка ориентируется в магнитном зазоре при помощи специальной системы, содержащей либо упругие элементы, либо линейный направляющий подшипник. Вибраторы с упругими элементами подвески катушки не могут быть использованы для модальных испытаний протяжённых конструкций с малой жёсткостью. Задача создания идеального подшипника взамен классическим линейным (скольжения или роликовым) встала при подготовке к модальным испытаниям крыла солнечной батареи космического аппарата (КА). Практически нулевым трением и достаточной несущей способностью обладают аэростатические подшипники (опоры), в которых в качестве смазки выступает сжатый воздух, исключающий физические контакты взаимодействующих поверхностей. Для подтверждения возможности использования аэростатических подшипников в составе оборудования для проведения модальных испытаний протяжённых конструкций с низкими частотами собственных колебаний проведены сравнительные испытания роликового и аэростатического подшипника. В ходе испытаний подобраны оптимальные параметры расхода воздуха (диаметр сопел, рабочее давление и зазор), при которых обеспечивается требуемая несущая способность подшипника по радиальным усилиям и моментам (изгибающими и кручения). Сравнительная оценка диссипативных свойств проведена при измерениях параметров затухания одномассовых гармонических осцилляторов, в состав которых введены аэростатический и роликовый линейные подшипники. При диаметре сопла 0,6 мм, рабочем зазоре 40 мкм и давлении на входе в подшипник 1,0 бар логарифмический декремент колебаний гармонического осциллятора с аэростатическим подшипником составил 0,084, что более чем в 28 раз ниже логарифмического декремента колебаний осциллятора с роликовым подшипником. Проведённые исследования подтвердили возможность применения разработанного аэростатического подшипника в испытательных системах, используемых при модальных испытаниях крупногабаритных трансформируемых конструкций КА.