Actran 助力卫星太阳能电池的振动声学响应预测

在离地升空和飞行期间，航天器运载火箭会经受多种振动声学问题的挑战。为了使火箭达到更高的推力和更远的里程，推进动力越来越强劲，也相应产生了更加强烈的噪声激励源。

这种强烈的声负载会激励运载火箭结构以及嵌入内部的有效载荷和设备。因此，在所有运载火箭部件的设计过程中，一定要对振动声学行为进行设计及管理，这一点对确保航天器部件的安全性至关重要。

过去五十年间，空中客车防务与航天公司一直在提供可靠的系统，从电子元件到完整的无线电通讯转播平台、科学卫星乃至载人航天器。这些产品系列的关键通用部件是太阳能电池帆板。太阳能电池板负责供电，以便卫星传感器、电子设备及推进系统能够正常工作。

太阳能电池板在发射器整流罩中在发射阶段用独特的约束折叠起来，此后在各种任务阶段被展开。为了减轻重量，太阳能电池组使用尽可能轻的材料，而太阳能电池板的面积须尽可能大以保证电力供应。

在离地升空期间，这些轻质的关键结构会承受强烈的载荷，因此工程师需要对结构进行验证，以确保它们能够承受此类振动，而且不会出现有可能阻碍太阳电池板正确展开的残留缺陷。

过去，通常是在混响室中对太阳能电池设计的结构行为进行实物试验，用扬声器再现强烈的离地升空声学环境，同时测量在电池上的振动级和应变。在多数情况下，由于制作样机的成本所限，工程师无法进行设计比较，因此初版往往采用保守设计。设计时的难点在于，在优化结构设计以减轻重量的同时，还要确保结构的完整性。

图1. IABG混响室中的通信卫星，空中客车防务及与航天公司2017年版权所有

MSC 软件解决方案

空中客车防务与航天公司的工程师通过使用 MSC Nastran 和 Actran 的方法来预测太阳能电池板在离地升空时的振动声学响应。用 MSC Nastran 计算太阳能电池板的模态频率和振型；同时用 Actran 对复杂的声学耗散和传播进行建模以丰富结构模型，并对作用在折叠起来的太阳能电池帆板上的声学载荷环境进行建模。

电池帆板之间的空气层建模

太阳能电池帆板在折叠时，各层之间会形成薄空气层。对这些空气层进行建模对于确保能够准确预测终振动有着重要的意义。实际上，这些空气层起到了减震器的作用，显著影响了各个电池板的振动。

此外，由于这些空气层的尺寸很小（几毫米），因此会发生粘热耗散，从而影响声波的传播。Actran 中包含了多种数值建模技术，可以对这些影响进行建模并准确预测终响应。

图2. 太阳能电池板振动谱，对空气夹层的影响

图3. 太阳能电池板振动频谱，对电池板层间空气粘性的影响进行建模

图4. 太阳能电池板振动频谱，对电池板蜂窝结构的影响进行建模

蜂窝结构对振动声学响应的影响

通常采用夹层结构来减轻重量、增加结构强度，并以碳纤维增强塑料面板覆盖铝蜂窝芯结构。由于 MSC Nastran 的结构建模能力可准确地表述此类复杂的复合材料结构，因此采用 Actran 对覆盖有碳纤维面板的蜂窝结构对太阳能电池板结构周围的声波传播所产生的影响进行建模。Actran对孔的建模能力可以模拟各向异性的声学传播以及特定的消散特性，这主要影响太阳能电池板在低频区的振动声学响应。

真实环境建模

折叠电池板在安装状态下固定到卫星上。卫星主体同时是一个离太阳能电池阵列很近的声学反射面，同时也会遮挡声波直接接触太阳能电池阵列。在典型的实验中，使用卫星侧墙模拟器（SSS）支撑太阳能电池阵列，重造一个电池阵列真实的环境。数值模型中通过在太阳能电池板附近建立一个反射面模型进行模拟。

将平面波叠加所产生的扩散声场（DSF）激励应用到模型上，用以表示声学环境。

不仅 Actran 的结果与整个相关频率范围内的实验结果吻合，而且还能通过 Actran 后处理的输出云图来确定电池板上最大加速度和最大应变的位置。

图5. 混响室试验设置

图6.振动声学模型概览

图7.太阳能电池板加速度功率频谱

图8.太阳能电池板应变功率频谱

图9. 太阳能电池板加速度功率频谱

关于空中客车防务与航天公司

空中客车公司是航空、航天以及相关服务商，2017 年的综合收入为 668 亿欧元。空中客车公司可提供从 100 到 600 个以上座位的客机机型。空中客车公司也是欧洲供应商，可提供加油机、战斗机，运输机以及各种任务飞机。在直升机领域，空中客车公司可在全球范围内提供高效率的民用和军用旋翼机解决方案。