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海克斯康模擬仿真軟件助力空中客車衛星太陽能電池的振動聲學響應預測

面臨的挑戰：

在離地升空和飛行期間，航天器運載火箭會經受多種振動聲學問題的挑戰。為了使火箭達到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，從電子元件到完整的無線電通訊轉播平臺、科學衛星乃至載人航天器。這些產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，以便衛星傳感器、電子設備及推進系統能夠正常工作。

鑒于運載火箭整流罩的獨特約束條件，在發射期間太陽能電池板被收起來，并會在之后的各種任務階段展開。為減輕重量，不僅要在航天器上盡量使用最輕的太陽能電池，還必須盡量增大太陽能電池板表面積與重量之比，從而為航天器的運行提供支持。

這些設計約束條件促使工程師設計出能夠承載太陽能電池的復雜結構，通常采用由電池覆蓋的夾層結構，以滿足具體的任務要求。

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，用揚聲器再現強烈的離地升空聲學環境，同時測量作用在電池上的振動級和應變。在多數情況下，由于制作樣機的成本所限，工程師無法進行設計比較，因此第一個設計往往采用保守的設計方法。設計時的難點在于，在優化結構設計以減輕重量的同時，還要確保結構的完整性。

來自海克斯康的解決方案：

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最終振動有著極其重要的意義。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小（幾毫米），因此會發生粘性熱耗散，從而影響聲波的傳播。Actran 中包含了多種高級數值建模技術，可以對這些影響進行建模并準確預測最終響應。

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生的影響進行建模。Actran的多孔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的振動聲學響應。

真實環境建模

安裝時將折疊的太陽能電池疊片組連接到衛星上。衛星本體會在太陽能電池疊片組附近形成一個反射面，衛星同時也形成一個遮蔽墻，防止聲波直接影響太陽能電池疊片組的零部件。在典型的測量過程中，可以使用衛星側壁模擬器（SSS）來支承太陽能電池疊片組，以再現太陽能電池將要面臨的環境。數值模型中也包括了衛星側壁模擬器，后者以太陽能疊片組附近的全剛性壁進行建模。

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

不僅 Actran 的結果與整個相關頻率范圍內的實驗結果吻合，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。

客戶簡介：

關于空中客車防務與航天公司

空中客車公司是航空、航天以及相關服務的全球領導者，2017 年的綜合收入為 668 億歐元。空中客車公司可提供從 100 到 600 個以上座位的最全面的客機機型。空中客車公司也是歐洲的領先供應商，可提供加油機、戰斗機，運輸機以及各種任務飛機，是全球領先的航天公司之一。在直升機領域，空中客車公司可在全球范圍內提供最高效的民用和軍用旋翼機解決方案。