振动力学---航天强国建设最需要的专业技术

Theodore

导读

你心目中，当前中国航天最需要的专业技术是什么？经过三个要素的考量，这个专业可以定位到“振动力学”。本文具体探讨振动力学在航天上的意义、内容和方法。

写来写去，论证的很不充分，但希望可以抛砖引玉

你心目中，当前中国航天（特指火箭，下同）最需要的专业技术是什么？

这个问题很大，不仅不好回答，甚至就不该写。因为大家最讨厌的就是大领导讲具体问题，以及小啰啰谈大事。

这里面的中国航天、最需要等字眼，没有一个不大的。因此笔者加了“心目中”几个字缓解一下，希望能稍微弱化具体问题和大事的区分。

那么具体怎么选择呢？且用三个要素，一是“有普遍需要”，二是“能快速推广”， 三是“未熟练掌握”。

第一是“有普遍需要”。每个领域都有每个领域的知识，各行各业及各个阶段都有最迫切的问题，只有对标自己领域、自身需要，才能给出精确定位。譬如生物科学，满足第二和第三，但它不属于火箭的范畴。其它类似人工智能、区块链等很多新技术，火箭不需要进行基础研究，甚至不需要这门技术，也不作为候选。此外，对于具体的某个部门或某个特定产品，最缺什么专业，哪个专业就是最需要的，但它不是普遍的需求，因此也不作为候选。

第二是“能快速推广”。这里首先技术方向要正确，不能出现本质性错误；其次技术难度不能太大，学科建设周期不是特别漫长，如材料体系、超燃冲压发动机、高超声速空气动力学等，虽代表未来，但需长远布局，短期无法见效，此处也不作为候选；技术还需具备一定的广度和复杂度，否则难以进化，满足更为广泛的需求，譬如很多单项技术尽管重要，但难以在各领域推广，此处也不作为候选。

第三是“未熟练掌握”。当某项技术被攻克，且形成了一道道可操作的稳定工序后，这项技术就形成了今天科技的一部分。譬如曾经姿态控制是一项很难的技术，A-3火箭试验表明其时的控制系统连微风都不能对付，为此冯•布劳恩研制了一枚完全新型的A-5火箭用于测试试验系统。但对于如今的运载火箭，基本的姿态控制已无任何难度。类似弹道、制导、姿控等目前已成熟的专业，此处不作为候选。

在这三条约束下，经过考虑，笔者将这个专业定位到“振动力学”。

物理量有大有小地反复变化就是振动，振动无处不在，荡秋千是振动、声音是振动、每天上下班也是振动。若这个物理量是位移、速度、加速度等力学量时，譬如火箭发动机喷管内的振动，箭体结构的弹性振动等等，研究这种振动的学科就是振动力学。

这里聊一聊振动力学在航天上的意义、内容和方法。其中意义代表“有普遍需要”，内容代表“能快速推广”，方法代表“未熟练掌握”。

振动力学在航天上的意义

（1）从长征一号到长征五号，我国运载火箭从10吨级走向30吨级，从30吨级到百吨级，再从百吨级走向千吨级，随着运载器越来越大，火箭柔性越来越强，动态问题凸显

当系统增大时，系统柔性变大，产生耦合振动的可能性变大，出现了如土星V火箭的F-1发动机燃烧不稳定性问题和Delta 3火箭首飞时振荡性滚转问题等。
以“东风二号”导弹为例，它是我国自行设计的第一型弹道导弹，但首飞失利，原因之一是没有考虑导弹弹体是弹性体，飞行中弹体会作弹性振动，与姿态控制系统发生耦合，导致导弹飞行失控。后运用弹性理论描述了火箭横向固有的弹性振动，并代入飞行稳定方程式组分析，找到了失败原因。

（2）随着新一代运载火箭和卫星首飞，中国航天迈入航天强国建设阶段，此阶段的标志是火箭从功能到性能的提升，从静态过度到动态是重要一环

航天大国解决的是有无问题，满足的是功能，而航天强国的标志是极致，满足的是性能。航天本就是追求极致的学科，航天强国的要求则是精上加精，其中一个标志是从静态指标上升到动态指标。

以下摘自央视网“中国航天员太空亲历促进神舟优化改进” (http://news.cctv.com/china/20080924/106688.shtml)：“神五”飞行中，在火箭抛掉逃逸塔之后近10秒钟的时间里，强烈的振动让杨利伟感到非常难受...发射“神六”的火箭采用新的计算方法，大大减小了振动。费俊龙、聂海胜说，他们几乎没有感觉到振动...发射“神七”飞船的这一枚火箭上，他们采用了变能量蓄压器的新技术来抑制振动，从而彻底解决了这个问题，大大提高了火箭的舒适性。

以下摘自《东五平台，为什么说你比肩国际一流？》：东五平台其载荷相机口径比哈勃望远镜还要大，若加装在这样的承力筒上，“大高个”身型易产生震动，无疑会使相机力学环境变差。于是，研制团队对东五平台首次采用全桁架结构设计，将主承力结构高度降为1.78米。桁架式主承力结构的研制是东五平台开发成败的关键之一。

（3）振动信号包含了丰富的信息，在确定指标、系统参数、故障诊断等领域将发挥越来越重要的作用

与文字、单参数、图像相比，振动信号中包含了更为丰富的局部和全局信息，譬如我们可以通过拍西瓜知道其好坏，从拍金属是否清脆知道其是否存在裂纹缺陷，用回波进行石油勘探等。甚至可以说，系统的振动给出了其全息图。

《热泪盈眶！“胖五”重生》：2019年4月，在长征五号遥三火箭的总装工作进入到最后阶段时，一台用于后续任务的芯一级氢氧发动机在试验数据分析过程中出现“异常振动频率”。研制人员顺藤摸瓜，找到了症结所在。

2015年6月28日，在Falcon 9火箭发射升空后上面级支撑压力容器的一根支柱发生断裂，导致压力容器释放大量氦气到液氧储罐，最终因压力过大发生爆炸。据称事故的分析就是从箭上振动传感器采集的信号反演得到。

振动力学在航天上的内容

工程中将振动问题研究的对象称为系统，外界输入称为激励，激励作用于系统后产生的振动称为响应。用手去摇树，树是系统，摇的动作是激励，树被摇动了则是响应。

从系统、激励、响应三个方面可将振动力学研究分为三个类别，在运载火箭设计上均有着广泛应用。

（1）用于基本设计的正问题：已知系统和激励求响应

一类最基本的问题，是已知系统和激励，求响应。譬如火箭竖立在发射台上，在风载下的变形、晃动频率和幅度，它在载荷设计、姿态稳定设计等均具有重要作用，类似的还有贮箱推进剂的晃动等。这种问题是正问题，是振动力学最简单的形式。

（2）天地一致性的抓手：已知系统和响应求激励

还有一类是已知系统和响应，求激励。在运载火箭领域可用于天地一致性分析。譬如飞行时大气作用在火箭上的脉动压力载荷，这种载荷在地面无法测量也难以确定，一般采用保守设计。在飞行时可贴上一些传感器提取箭体的响应，然后反算出激励，用于校正设计。这里是一种反问题，可称为环境预测。其求解比正问题求解要困难，因为实际载荷是一个场，且具有一定的随机性，因此是一个不适定的反演问题，需要通过多发任务采集综合提取。

（3）提高对系统认识的利器：已知激励和响应求系统

另外一类是已经激励和响应，求系统。这类问题在运载火箭领域有着极其特殊的意义，设计靠它，故障分析靠它。

运载火箭是一个典型的弹性体，姿态控制系统设计时需要知道火箭的弹性特性。它通过模态试验获取，采用激振器作用到箭体上，然后采集箭体特征点的振动频率、幅值和相位，最后采用模态修正的方法得到准确的箭体弹性模型，这是一个典型的已知激励和响应求系统的过程。

即使激励未知，响应中也包含了丰富的系统信息，譬如前面所说的CZ-5的异常频率等，就是系统固有特性的一种表现。如果将火箭系统看成一个“黑箱”，通过采集各种振动数据，可以反过来推测火箭系统特性，是否存在缺陷等。这种从响应求系统的过程，也是振动的一种逆问题，称为系统识别问题。

振动力学在航天上的方法

振动学科意味着对于问题本质的抽象和把握，且具有典型的跨学科特征，暂时没有通用软件，对从业人员素质提出了很高要求

运载火箭需要用到大量力学知识，其中轨道动力学、结构力学、流体力学的工程应用，很多与我们在书本上所学相近，且现在由于商用软件的强大，即使理论知识积累不足，仍能使用软件分析问题。譬如用STK分析轨道运动，用Abaqus计算结构受力，用Fluent计算流场等。

但振动力学相关问题，很少有直接使用弹簧系统等书本知识就能解决的，而且没有一款商业软件，可以不经问题抽象直接建模振动模型，获悉系统振动规律。譬如前述的导弹弹性振动问题，需要建立带弹性振动的导弹姿态运动方程进行求解；如杨利伟经历的振动问题，需要建立全箭纵向耦合振动方程进行求解；如Falcon 9的飞行故障，需要建立压力容器在液体中上浮模型进行反演分析等。这些目前尚没有商业软件可以直接建模求解，需手动建立多种专业模型对问题进行抽象，因此对从业人员素质提出了很高的要求。

为了在航天上更好地应用振动力学，该用什么样的方法呢？笔者再次发扬“谈大事”的坏毛病，提些建议：

1）成立振动力学专家组，定期发布火箭相关振动力学问题集，积极申报国防973或其他基金类项目

集合系统内振动力学领域专家，并聘请国内振动力学、晃动、转子动力学方面的顶级专家作为顾问，成立专家组，整理国内外火箭相关振动力学问题集，编写启示录，提炼设计方法，定期发布。针对其中的疑难问题，以“运载火箭振动力学基本问题”、“运载火箭振动力学逆问题”等为题，积极申请国防973或其他基金类项目，予以集中攻克。

2）开展振动力学培训，提高型号队伍振动力学修养，建立振动分析相关工作步骤
对于与结构打交道的设计人员，组织专业培训，在振动力学上“会点正问题，珍视逆问题。”

会点正问题，指掌握振动力学的一般概念和方法，了解固有频率和振型概念，具备区分自由振动、受迫振动、自激振动等能力，对系统耦合具备一定的鉴别力和判断力（推荐倪振华的《振动力学》）。

珍视逆问题，指注重从频谱角度分析已有数据，对异常频率具有一定的敏感性（推荐纽兰的《随机振动和谱分析概论》）。通过总结提炼，形成一部分通过频谱分析判断系统是否异常的标准和方法。

结束语

随着火箭规模增大，以及对结构效率等的进一步追求，振动现象越来越显著，同时振动蕴含的丰富的信息，给出了系统的全息影像。建立更为强大的振动力学人才体系和更规范的工作步骤，在航天上更好地应用振动力学，将是对航天强国建设的有力支撑。