在離地升空和飛行期間，航天器運載火箭會經(jīng)受多種振動聲學問題的挑戰(zhàn)。為了使火箭達到更高的推力和更遠的里程，推進動力越來越強勁，也相應產(chǎn)生了更加強烈的噪聲激勵源。

這種強烈的聲負載會激勵運載火箭結構以及嵌入內(nèi)部的有效載荷和設備。因此，在所有運載火箭部件的設計過程中，一定要對振動聲學行為進行設計及管理，這一點對確保航天器部件的安全性至關重要。

過去五十年間，空中客車防務與航天公司一直在提供可靠的系統(tǒng)，從電子元件到完整的無線電通訊轉播平臺、科學衛(wèi)星乃至載人航天器。這些產(chǎn)品系列的關鍵通用部件是太陽能電池帆板。太陽能電池板負責供電，以便衛(wèi)星傳感器、電子設備及推進系統(tǒng)能夠正常工作。

太陽能電池板在發(fā)射器整流罩中在發(fā)射階段用獨特的約束折疊起來，此后在各種任務階段被展開。為了減輕重量，太陽能電池組使用盡可能輕的材料，而太陽能電池板的面積須盡可能大以保證電力供應。

在離地升空期間，這些輕質的關鍵結構會承受強烈的載荷，因此工程師需要對結構進行驗證，以確保它們能夠承受此類振動，而且不會出現(xiàn)有可能阻礙太陽電池板正確展開的殘留缺陷。

過去，通常是在混響室中對太陽能電池設計的結構行為進行實物試驗，用揚聲器再現(xiàn)強烈的離地升空聲學環(huán)境，同時測量在電池上的振動級和應變。在多數(shù)情況下，由于制作樣機的成本所限，工程師無法進行設計比較，因此初版往往采用保守設計。設計時的難點在于，在優(yōu)化結構設計以減輕重量的同時，還要確保結構的完整性。

圖1. IABG混響室中的通信衛(wèi)星，空中客車防務及與航天公司2017年版權所有

MSC 軟件解決方案

空中客車防務與航天公司的工程師通過使用 MSC Nastran 和 Actran 的方法來預測太陽能電池板在離地升空時的振動聲學響應。用 MSC Nastran 計算太陽能電池板的模態(tài)頻率和振型；同時用 Actran 對復雜的聲學耗散和傳播進行建模以豐富結構模型，并對作用在折疊起來的太陽能電池帆板上的聲學載荷環(huán)境進行建模。

電池帆板之間的空氣層建模

太陽能電池帆板在折疊時，各層之間會形成薄空氣層。對這些空氣層進行建模對于確保能夠準確預測終振動有著重要的意義。實際上，這些空氣層起到了減震器的作用，顯著影響了各個電池板的振動。

此外，由于這些空氣層的尺寸很?。◣缀撩祝?，因此會發(fā)生粘熱耗散，從而影響聲波的傳播。Actran 中包含了多種數(shù)值建模技術，可以對這些影響進行建模并準確預測終響應。

圖2. 太陽能電池板振動譜，對空氣夾層的影響

圖3. 太陽能電池板振動頻譜，對電池板層間空氣粘性的影響進行建模

圖4. 太陽能電池板振動頻譜，對電池板蜂窩結構的影響進行建模

蜂窩結構對振動聲學響應的影響

通常采用夾層結構來減輕重量、增加結構強度，并以碳纖維增強塑料面板覆蓋鋁蜂窩芯結構。由于 MSC Nastran 的結構建模能力可準確地表述此類復雜的復合材料結構，因此采用 Actran 對覆蓋有碳纖維面板的蜂窩結構對太陽能電池板結構周圍的聲波傳播所產(chǎn)生的影響進行建模。Actran對孔的建模能力可以模擬各向異性的聲學傳播以及特定的消散特性，這主要影響太陽能電池板在低頻區(qū)的振動聲學響應。

真實環(huán)境建模

折疊電池板在安裝狀態(tài)下固定到衛(wèi)星上。衛(wèi)星主體同時是一個離太陽能電池陣列很近的聲學反射面，同時也會遮擋聲波直接接觸太陽能電池陣列。在典型的實驗中，使用衛(wèi)星側墻模擬器（SSS）支撐太陽能電池陣列，重造一個電池陣列真實的環(huán)境。數(shù)值模型中通過在太陽能電池板附近建立一個反射面模型進行模擬。

將平面波疊加所產(chǎn)生的擴散聲場（DSF）激勵應用到模型上，用以表示聲學環(huán)境。

不僅 Actran 的結果與整個相關頻率范圍內(nèi)的實驗結果吻合，而且還能通過 Actran 后處理的輸出云圖來確定電池板上最大加速度和最大應變的位置。

圖5. 混響室試驗設置

圖6.振動聲學模型概覽

圖7.太陽能電池板加速度功率頻譜

圖8.太陽能電池板應變功率頻譜

圖9. 太陽能電池板加速度功率頻譜

關于空中客車防務與航天公司

空中客車公司是航空、航天以及相關服務商，2017 年的綜合收入為 668 億歐元?？罩锌蛙嚬究商峁?100 到 600 個以上座位的客機機型?？罩锌蛙嚬疽彩菤W洲供應商，可提供加油機、戰(zhàn)斗機，運輸機以及各種任務飛機。在直升機領域，空中客車公司可在全球范圍內(nèi)提供高效率的民用和軍用旋翼機解決方案。