Anwendungen von Vibrationstischen in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Am frühen Morgen des 25. April 2025 wurde die bemannte Mission Shenzhou-20 erfolgreich abgeschlossen. Drei Astronauten erreichten sicher die chinesische Raumstation. Die Überwindung der Erdanziehungskraft, des Luftwiderstands und der reibungslose Eintritt in den Weltraum trotz Reibung und Vibrationen stellen einen weiteren bemerkenswerten Erfolg des chinesischen Raumfahrtprogramms dar.

Schwingungsprüfungen spielen eine entscheidende Rolle im Militär- und Luftfahrtsektor. Sie simulieren die Schwingungsbelastungen, denen Produkte während Transport und Flug ausgesetzt sind, und bewerten deren Stoß- und Vibrationsfestigkeit, um strukturelle Festigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. Beispielsweise müssen Raketen und Satelliten wie die Raumsonde Shenzhou-20 während ihrer Entwicklung strengen Schwingungsprüfungen unterzogen werden, um Stabilität und Sicherheit beim Start und Betrieb sicherzustellen.
Konkret werden operationelle Raumfahrzeuge zunächst Vibrationstests auf einem Vibrationsprüfstand unterzogen, der in erster Linie dazu dient, die komplexen mechanischen Umgebungen (wie Vibrationen, Stöße und Lärm) zu simulieren, denen Raumfahrzeuge während des Starts, des Fluges und des Wiedereintritts ausgesetzt sind, um ihre strukturelle Zuverlässigkeit und Leistungsstabilität zu überprüfen.
(1) Simulation der Startphasenumgebung
Vibrationen beim Raketenstart: Simulation der breitfrequenten Zufallsschwingungen und sinusförmigen Schwingungen, die während Phasen wie der Zündung des Raketentriebwerks, der Stufentrennung und des transsonischen Fluges entstehen, um die Vibrationsfestigkeit von Nutzlasten wie Satelliten und Raumfahrzeugen zu testen.
Überprüfung der strukturellen Integrität: Beurteilung der Ermüdungslebensdauer und potenzieller Resonanzpunkte von Raumfahrzeugstrukturen (wie Solarpaneelen, Antennen und Halterungen) unter Vibrationsbedingungen.
(2) Tests der Betriebsumgebung im Orbit
Analyse der Auswirkungen von Mikrovibrationen: Simulation von Mikrovibrationen, die von Geräten wie Schwungrädern und Gyroskopen während des Betriebs von Raumfahrzeugen im Orbit erzeugt werden, um deren Beeinträchtigung von hochpräzisen Nutzlasten (z. B. optische Kameras, Laserkommunikationsgeräte) zu beurteilen.
Prüfung des Auslösemechanismus: Überprüfung der zuverlässigen Auslöse- und Verriegelungsleistung von ausklappbaren Strukturen (z. B. Solarflügel, große Antennen) unter Vibrationsbedingungen.
(3) Wiedereintritts- und Landeaufpralltests
Simulieren Sie aerodynamische Geräusche, Vibrationen und Landeeinwirkungen (wie z. B. die Auslösung des Fallschirms und die Zündung des Lande-Rückstoßes) während des Wiedereintritts der Rückkehrkapsel in die Atmosphäre, um die Funktionsfähigkeit empfindlicher Instrumente (wie z. B. Flugschreiber und Navigationssysteme) zu gewährleisten.
(4) Prüfung von Bauteilen und Materialien
Führen Sie Vibrationsprüfungen (ESS, Umweltstressprüfung) an kritischen Raumfahrzeugkomponenten (z. B. Treibstofftanks, elektronische Geräte, Steckverbinder) durch, um Herstellungsfehler im Voraus zu erkennen.
Die in der Luft- und Raumfahrt üblicherweise verwendeten Vibrationsprüfstände müssen strenge Anforderungen erfüllen, wie z. B. hohe Frequenz, hohe Beschleunigung und mehrere Freiheitsgrade:
Elektrischer Vibrationsprüfstand: Deckt niedrige bis hohe Frequenzen ab (5 Hz bis 2000 Hz) und eignet sich für sinusförmige und zufällige Schwingungsprüfungen.
Hydraulische Vibrationsprüfstände: Werden für Prüfungen mit hohen Kräften und niedrigen Frequenzen (0,1 bis 100 Hz) eingesetzt, z. B. für Vibrationsprüfungen des gesamten Fahrzeugs für große Raumfahrzeuge.
Drei-Achsen-/Sechs-Freiheitsgrad-Vibrationsprüfstände: Simulieren multidirektionale Verbundschwingungen, die realen Startumgebungen besser entsprechen.
Hybride Simulationssysteme: Sie kombinieren Vibrationsprüfstände mit numerischer Simulation, um Echtzeittests unter komplexen Bedingungen (wie z. B. aerostruktureller Kopplung) zu ermöglichen.
Mit der rasanten Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnik ist der Bedarf an Machbarkeitsstudien für große Bauteile und ganze Systeme für Raketen der nächsten Generation, Raumstationen, Großflugzeuge, Flugzeugträger und andere Großprojekte gestiegen. Dies hat zu höheren Anforderungen an die Größe und Schubkraft von Vibrationstischplattformen geführt. Frequenz und Schubkraft (in Tonnen) sind zu Schlüsselindikatoren für die Bewertung der Leistungsfähigkeit von Vibrationstischen geworden. Für die Prüfgeräteindustrie bedeutet dies sowohl höhere Standards als auch erweiterte Möglichkeiten.