Испытание на невесомость
Обычно предусматриваются испытания по проверке влияния невесомости на свойства безотказности и долговечности (исследовательские испытания) или по оценке соответствия этих свойств требованиям ТУ (в категории периодических испытаний).
Для исследовательских испытаний по безопасности могут использоваться полеты самолетов по специальным траекториям или полеты КА. На самолетах проводятся испытания на кратковременное воздействие невесомости, позволяющее оценить безотказность ОИ. Для проведения таких испытаний изделия вместе с измерительными приборами, фиксирующими значения параметров, предусмотренных ТУ, размещаются в контейнерах, крепящихся к бортам самолета с помощью специальных растяжек. Эти растяжки обеспечивают «плавание» контейнера в процессе полета и «зависание» при достижении невесомости при полете самолета по заданной траектории.
Если ОИ предназначен для установки на внешней поверхности КА, то контейнер вакуумируется (для устранения конвективного теплообмена). При размещении ОИ в условиях эксплуатации в герметизированном отсеке контейнер заполняется инертным газом, обеспечивающим конвективный теплообмен.
Самолет в процессе испытания выполняет полет по кеплеровс — ким траекториям. При движении по одной из траекторий со скоростью 465 км/ч полная невесомость длится в течение 12—15 с. При скорости 800 км/ч невесомость длится 34 с, при сверхзвуковых скоростях — примерно 4 мин.
Важными элементами подготовки к проведению описываемых испытаний является обеспечение правильности крепления изделия и его термоизоляции, соблюдения специфических условий регистрации. Крепление изделия должно обеспечивать:
• необходимую амортизацию вибраций на все время до и после достижения невесомости и полное «отключение» амортизации и механической связи с бортами самолета при достижении невесомости;
• реальное ухудшение охлаждения за счет нарушения конвективного теплообмена, поэтому изделие в тепловом отношении должно быть «отключено» от теплопроводящих масс (в частности, нежелательно использование металлических опор или растяжек).
Специфика условий регистрации состоит в том, что параметры изделия, по значениям которых судят о его годности, должны фиксироваться с момента перехода изделия в состояние невесомости и в течение всего времени нахождения в этом состоянии. В связи с этим начало и окончание фиксации параметров проводят тогда, когда бортовые акселерометры фиксируют нулевые ускорения по всем осям координат.
Кратковременное состояние невесомости может достигаться сбрасыванием контейнера с изделием в шахту или с башни. Перед сбросом контейнер должен длительное время находиться в состоянии покоя, чтобы не вызвать ложные отказы в каналах жидких теплоносителей. Например, он может помещаться на платформу, «плавающую» в ртутной ванне. Высота падения выбирается такой, чтобы компенсировать влияние аэродинамического торможения. В некоторых случаях контейнер сбрасывают в трубу с предварительно откачанным воздухом, чтобы уменьшить влияние силы аэродинамического торможения.
Длительность пребывания изделий в состоянии невесомости определяется: временем срабатывания или отпускания элементов, переходящих из одного состояния в другое под действием силы тяжести полностью или частично (реле, подвижные контакты, клапаны и т. п.); постоянной времени тепловых переходных процессов наиболее теплонагруженных частей изделий, охлаждение которых достигается в основном за счет конвективного теплообмена (мощные транзисторы и тиристоры, жидкокристаллические индикаторы и т. п.).
Исследовательские испытания на долговечность проводятся путем установки изделий на КА с измерением параметров в состоянии невесомости при движении КА по орбите (при этом измерения не проводятся при маневрах КА на орбите, переходах с одной орбиты на другую, стыковках КА друг с другом и в других случаях появления линейных или вращательных ускорений).
При длительных испытаниях на воздействие невесомости (несколько суток) наличие даже небольших ускорений, например при вращении КА, может вызвать большие погрешности в оценке результатов. В связи с этим обычно ведутся непрерывные записи значений ускорений по показателям бортовых акселерометров (например, в виде кольцевых лазерных гироскопов) и измеряемых параметров ОИ. Сопоставление этих записей позволяет исключить погрешности, вызванные изменением значений параметров изделий при появлении ускорений.
Моделировать воздействие невесомости ухудшением конвективного теплообмена можно при оценке работоспособности только наиболее теплочувствительных узлов, блоков и элементов изделий. Ухудшение теплообмена достигается установкой «тепловых преград» (например, в виде лабиринтов из теплопроводящих металлов или перегородок из композитов с плохой теплопроводностью) или снижением эффективности обдува (уменьшением частоты вращения двигателя вентилятора, поворотом его лопастей и т. п.) теплочувствительных составных частей изделий.
При монтаже объектов испытаний особое внимание должно быть уделено тепловым потокам и тепловым контактам. Тепловые потоки должны в точности соответствовать реальным эксплуатационным условиям, поэтому их необходимо контролировать путем измерения температуры корпуса, печатной платы или выводов интегральных схем для наиболее термочувствительных блоков и узлов изделий. Тепловые контакты осуществляются главным образом между корпусом объекта испытаний и крепящим кронштейном (стойкой, панелью). Здесь важно соблюсти соответствие реальным условиям — равенства площади теплового контакта, массы теплоотвода, его охлаждающей поверхности и градиента температуры. В частности, наличие пленки между поверхностями теплового контакта приводит к большим погрешностям в оценке результатов испытаний.
При испытаниях на воздействие невесомости в качестве измеряемых параметров изделий используются записываемые в ТУ параметры функционирования (при проведении приемочных испытаний) и (или) дополнительные диагностические параметры (для исследовательских и квалификационных испытаний). В качестве диагностических параметров для оценки влияния невесомости используют градиенты температуры по поверхности изделия, усилие перемещения, коэффициент трения (для электромеханизмов), скорость, давление или расход газа или жидкости (для каналов теплоносителей и аналогичных каналов другого назначения). Для всех ОИ с перемещающимися массами важными параметрами являются: скорость перемещения, наличие гистерезиса кривых «перемещение-время воздействия усилия», «перемещение-усилие» и т. п.
Погрешности испытательного режима определяются «остаточным» ускорением в моменты выхода на невесомость и отклонением температуры ОИ от установленной в нормативной документации на проведение испытаний. Считается, что «остаточное» линейное и угловое ускорения в состоянии невесомости не должны превышать 5% земного ускорения (g) для сравнительно малогабаритных изделий (линейный размер не более 100 мм). Для крупногабаритных изделий (линейный размер более 100 мм) угловое ускорение для наиболее Удаленной от центра вращения точки в момент невесомости должно быть не более 0,05 g.
Если в нормативной документации не заданы допустимые отклонения температуры, то для всех составных частей ОИ при всех испытаниях оно не должно превышать 0,1 °С, кроме особо термочувствительных частей при испытаниях на долговечность, где отклонение (в связи с длительным воздействием) должно быть не более 0,05 °С.