中國造火箭，為什么離不開振動臺？

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導語：10月31日，神舟十六號載人飛船返回艙成功著陸。從2003年10月，“神五”飛天成為中國首次載人飛行任務成功。在這20年間，從神舟系列到嫦娥號，我國火箭事業(yè)蓬勃發(fā)展。除了杰出的航天人為載人工程作出了的貢獻，一臺臺看似普通的振動平臺亦為航天工程快速發(fā)展立下“汗馬功勞”。

央視關于中國載人航天20周年報道

一、振動試驗平臺：不起眼的“大國重器”

1）無處不在的振動臺

抗沖擊和振動試驗的“振動平臺”在大型工廠中會比較常見，被廣泛用于冶金、模具/食品、化工、建材等行業(yè)。2020年在商務部和科技部發(fā)布的《中國禁止出口限制出口技術目錄》中在第九大類“專業(yè)設備制造業(yè)”，新增的第32條，“大型振動平臺設計建設技術”證明了我國大型振動臺目前在世界范圍的實力。

2020年《限制出口技術目錄》部分截圖

振動平臺作為科學研究和可靠性的重要手段，起源于二次世界大戰(zhàn)。二戰(zhàn)期間，美軍大量武器和軍用器材運達前線時常常不能使用，經(jīng)研究才知道，是由于器材在運輸時振動所致的損壞。

軍工、航天產(chǎn)品，在出廠之前都要經(jīng)過各類振動測試的“考驗”。振動臺能夠模擬航天器在運輸、飛行等使用過程中的振動環(huán)境，是火箭、衛(wèi)星研制的必需設備，振動行業(yè)與國防軍工有直接命脈關系。

《目錄》提到的“雙軸同步振動試驗平臺”主要用于模擬細長型產(chǎn)品的振動試驗，比如空空導彈表面的氣動擾流和載機的機動抖振，振動強度大，持續(xù)時間長，對導彈結構和性能的影響也最為嚴重。“掛飛振動”等復雜動力環(huán)境是造成導彈發(fā)射失敗的重要因素之一。

導彈、掛架和結構支撐體系統(tǒng)掛飛振動試驗

隨著航空航天、軍工等科技的飛速發(fā)展，振動臺在臺面尺寸和推力等方面無法滿足承載大軀體、大運載的振動試驗要求。可以滿足新一代火箭、空間站、大飛機、航母等大部件乃至整機的可行性試驗需求。

頻率和推力（噸數(shù)）成為振動臺評判的重要性能指標。

2）火箭等航天器為什么離不開大推力振動臺？

在航天器發(fā)射過程中，通過振動平臺檢測航天器是否“良好”的重要性不言而喻。運載火箭等航天器在發(fā)射和動力飛行期間，必須承受由于起飛、級間(整流罩)分離、二次點火、關機和航天器入軌等各項程序引起的振動、噪聲、沖擊和加速度等動力學載荷。種種動力學環(huán)境會對航天器上組件造成結構性的損壞，從而會影響發(fā)射任務的完成，甚至導致整個飛行任務失敗。

載人運載火箭貯箱正在進行多機并聯(lián)靜動聯(lián)合試驗

因此在航天器發(fā)射前必須利用振動臺，模擬這些力學環(huán)境的地面試驗設備中進行環(huán)境試驗。不斷試驗火箭振動時的環(huán)境條件，檢測部件是否保持完好無損，繼而進行對應的整改和優(yōu)化，增強火箭的成功率。

判斷振動臺的先進性，推力是重要的衡量標準。振動臺的推力統(tǒng)一以“噸”為單位，1噸就是指振動臺能產(chǎn)生9800牛的推力。

目前我國702所自主研發(fā)建成了70噸世界最大推力單體電動振動臺和140噸的多臺并激振動試驗系統(tǒng)。

702所自主研制的70噸單體電動振動臺

二、1噸推力1噸金

由于振動試驗平臺可用于國防軍工、航空航天等敏感領域，與其余很多“大國重器”一樣，在振動臺上也經(jīng)歷過歐美的技術壟斷與禁運封鎖。

1）有錢也買不到

上個世紀80年代以前是禁運1噸以上推力的振動平臺，90年代后改為禁運5噸以上推力的振動平臺，后又改為禁運9噸以上。當時業(yè)界甚至有“1噸推力1噸金”的說法，最基礎的1噸級振動臺，當時美國曾開出了單價便高達4億元。但國防軍工等領域所需的更高推力振動臺，即使再有錢也買不到。

20世紀，世界上電動振動臺有兩大王牌企業(yè)：英國的“菱”公司(即Ling Dynamic Systems)和美國的“菱”公司(即Ling Electronics)，掌握了振動試驗臺的高端制造技術，壟斷和主導振動行業(yè)的發(fā)展。

1969年7月16日，美國“土星5號”火箭載著“阿波羅11號”飛船成功發(fā)射，開始了人類首次載人登月的太空征程。這款半個多世紀前研制的全球最厲害的火箭，其推力高達3408噸，具備將140噸重量的物體送入近地軌道的強大能力，阿姆斯特朗這才得以登陸月球。根據(jù)公開資料，美國測驗“土星五號”的振動臺，采用是8個液壓驅(qū)動器的并聯(lián)振動臺，當時其振動臺推力約為29噸左右。

“土星5號”火箭已成為“絕唱”，目前美國自己也造不出

2）買不如造，走出困境

1995年， “蘇州東菱振動”成立開始了自研之路，創(chuàng)始人王孝忠先生曾經(jīng)說過，取名叫“東菱”，是以趕超“歐美之菱”為目標，寓意“東方之菱，民族之菱”。

“東方之菱”果然不負眾望, 先后打破中國的多項紀錄：2002年，國內(nèi)首臺6噸級風冷式振動臺研制成功，；2004年國內(nèi)最大的16噸級水冷式振動臺問世，為神舟六號載人飛船保駕護航，從此徹底打破了歐美對中國大型振動試驗臺的技術封鎖和禁運。

東菱成功研發(fā)的16噸水冷式電動振動試驗系統(tǒng)

三、中國大型振動臺技術如何取得“主動權”

1）美國的大型并聯(lián)電動振動臺

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，美國已研制出了比“土星五號”所使用的振動臺更大的并聯(lián)振動臺。2008年，美國TEAM公司建造成450噸的振動臺，用以對“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）進行測試，這一振動臺由20個液電混合驅(qū)動器組成，可以對直徑7.2米、高22.8米的火箭進行振動測試。

美國NASA的大型振動試驗設備

并機系統(tǒng)有諸多先天性缺陷，是一種推力達不到情況下的權宜之策。多臺并機結構需要在多臺小推力的振動臺頂部附加一個大尺寸、大質(zhì)量的公共臺面，附加臺面易引起臺面振型模態(tài)的變化、大幅降低臺面運動的均勻度指標等試驗問題，從而使整個振動試驗系統(tǒng)的有效推力與可靠性大幅降低。

中國選擇在另一種技術上取得突破，我國振動臺發(fā)展迎來關鍵節(jié)點。

2）中國電動振動臺從50噸、70噸到140噸

2006年，具有自主知識產(chǎn)權的世界最大推力的35噸電動振動臺在蘇州東菱誕生。全程參與我國從“神五”到“神九”，從“天宮”到“嫦娥”等所有載人航天工程重要設備的振動和力學動力沖擊試驗。

電動振動試驗系統(tǒng)是一種頻率范圍廣、能貫徹從低頻到高頻的振動試驗系統(tǒng)，工作原理是由固定磁場和裝在該磁場中通以電流的動圈相互作用作用產(chǎn)生激振力，當動圈線圈通以交變電流時，動圈就會產(chǎn)生對應的交變運動。

電動振動試驗系統(tǒng)原理

對于宇宙飛船、空間站、火箭等體積大、分量重的部件，就只能使用大推力電動振動臺了。然而，多臺設備的同時運轉不僅很難達到測試航天器所要求的頻率，而且當兩臺振動臺都達到2000赫茲時，它們的掃頻范圍就會降低兩三百赫茲，火箭的體積越大，重量越重，頻率衰弱得就會更加嚴重。

除了蘇州東菱以外，另一家蘇試儀器也取得了重大突破，2009年開發(fā)出代表我國力學環(huán)境試驗領域最高水平的三軸同振電動振動試驗系統(tǒng)、國內(nèi)最大的40噸電動振動臺、多點并激電動振動試驗系統(tǒng)、四綜合電動振動試驗系統(tǒng)等多個新產(chǎn)品。

蘇試三軸六自由度電動振動試驗系統(tǒng)

2012年中國航天科技集團公司一院702所成功將總推力高達70噸的電動振動試驗系統(tǒng),振動系統(tǒng)采用了碳纖維增強、節(jié)能控制和新一代IGBT智能模塊功放等先進技術，可靠性高、適用性強。

而70噸的振動臺問世對我國新一代運載火箭“長征五號”也有著很重要的推動作用。因為“長征五號”整流罩的尺寸和重量都有所增加，70噸的振動臺完全可以滿足“長征五號”的振動試驗需求，也能夠滿足下一代大型運載火箭的振動試驗需求。

2016年2月，中國航天科技集團公司五院總裝與環(huán)境工程部自主研制的140噸振動試驗系統(tǒng)，具有完全獨立的自主知識產(chǎn)權。順利完成驗收測試及某型號振動環(huán)境試驗。

五院總環(huán)部自主研制的140噸振動試驗系統(tǒng)，右為示意圖

除了航天工程，2018年，航天希爾公司和比亞迪簽訂了20噸感應式振動臺的銷售合同。這是我國首次將大推力的感應式振動臺應用于新能源領域。

2022年2月，702所中標了中國核動力研究設計院的振動試驗項目，70噸電動振動臺將為我國的核動力工程進行試驗，這是我國航天高科技首次應用于核動力工程。在未來我國的大型振動臺還將應用于更多領域。

結語：

很多自媒體說“美國沒有我國的振動臺就無法發(fā)射火箭”，這確實是夸大其詞，美國仍然掌握著很多世界頂尖技術，比如，我國至今還沒有像“土星五號”這樣的運載火箭，中國人也還沒能登上月球。但是圍堵中國“卡脖子”科技封鎖，是不能遏制住中國制造自主研發(fā)追趕的腳步，就像新加坡總理李顯龍說的：“圍堵會讓中國變得更高更強”，現(xiàn)在我國大型振動平臺技術的跨越式發(fā)展就是最好證明。

參考文獻：

[1]機載戰(zhàn)術導彈掛飛環(huán)境地面振動試驗方案研究, 1672-9242(2018)01-0070-04, 魏英魁 ，張曉穎

[2]航天希爾在大型振動臺上的試驗案例、場景