sábado, 8 de abril de 2023 · 0 min read
Teste estrutural de foguete usando processamento senoidal
No Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), DCTA, testes dinâmicos estruturais, como processamento senoidal, SRS e análise modal, são realizados como parte do procedimento padrão em diferentes componentes dos sistemas de lançamento de foguetes. Nesse caso, o cone do nariz de um foguete foi testado em um shaker usando processamento senoidal.
Software DewesoftX melhorou a eficiência reduzindo o tempo de teste e a qualidade dos dados aquisitados, suportando o cálculo em tempo real por meio de uma interface de usuário de processamento senoidal.
The Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA), O Departamento Brasileiro de Ciência e Tecnologia Aeroespacial está localizado em São José dos Campos - o maior Complexo Aeroespacial de toda a América Latina.
O DCTA funciona como o centro nacional de pesquisa militar brasileiro para aviação e vôo espacial e subordinado à Força Aérea Brasileira (FAB) e coordena todas as atividades técnicas e científicas relacionadas ao setor aeroespacial que envolvem interesses do Ministério da Defesa.
Os testes foram realizados no Instituto de Aeronaútica e Espaço (IAE), Instituto de Aeronáutica e Espaço. Esse instituto desenvolve e executa projetos nos setores aeronáutico, espaço aéreo e defesa, sendo co-responsável pela execução da Missão Espacial Brasileira.
Vídeo de apresentação do processamento Dewesoft Sine
O Problema
O cone do nariz testado neste teste estrutural em particular desempenha um papel importante nas atividades de P&D realizadas para as missões TEXUS - um programa de foguete de sondagem ou pesquisa, servindo os programas de microgravidade da European Space Agency (ESA) e Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), o German Aerospace Center.
A parte IAE das missões TEXUS concentra-se principalmente no desenvolvimento de sistemas de lançamento destinados a facilitar a exploração das propriedades e comportamento de materiais, produtos químicos e substâncias biológicas em condições sem gravidade (microgravitação). Cada lançamento oferece cerca de seis minutos de microgravidade.
Nesse caso, o IAE precisava medir as frequências de ressonância do cone do nariz de foguete, a fim de evitar a operação nessas frequências, o que poderia comprometer a integridade estrutural e potencialmente causar falha na missão.
Eles precisavam de um sistema confiável de aquisição de dados capaz de rastrear e computar o intervalo definido de respostas e funções de transferência em tempo real
Processamento senoidal e teste de redução senoidal
Processamento Senoidal é uma ferramenta para realizar testes estruturais em grandes estruturas. Essa abordagem de teste é amplamente usada para validação e qualificação de projetos na indústria aeroespacial e, normalmente, centenas de canais de entrada são necessários.
Por definição, não há espaço para erro; todas as estruturas utilizadas durante uma missão devem ser cuidadosamente testadas com antecedência para garantir a operação adequada e garantir a integridade estrutural.
A avaliação de estruturas tão grandes é feita estimulando-as com uma varredura de frequências únicas em um shaker. O teste de vibração de varredura senoidal percorre ou varre de baixa a alta frequência ou vice-versa. É usado para identificar ressonâncias dentro da faixa da varredura comparando vibrações de resposta do produto com as vibrações na mesa do agitador.
Como saída desejada, o processamento senoidal retorna o seguinte:
frequências de ressonância estrutural,
amplitudes,
fase,
distorção harmônica total (THD) da resposta e
funções de transferência entre pontos de excitação e resposta.
Para avaliar a estrutura em teste no domínio da frequência, é importante extrair com precisão esses parâmetros do sinal senoidal.
O processamento senoidal usa um sinal COLA (Constant Output Level Adapter) Adaptador para Amplitude de Saída Constante - para calcular a frequência instantânea e, em seguida, extrai a amplitude e a fase dos acelerômetros nessa frequência. A saída do sinal COLA sincroniza o sistema de controle do shaker com o sistema DAQ.
No IAE / DCTA, o software de aquisição de dados DewesoftX - com o plug-in de processamento senoidal - e o Dewesoft sistema de aquisição de dados SIRIUS oi utilizado para a aquisição de dados.
O teste de processamento senoidal é executado sincronizando o sistema de aquisição de dados Dewesoft om o controlador do shaker (de terceiros). A ferramenta de processamento senoidal da Dewesoft executa um dos dois métodos de detecção de frequência:
Os sinais aquisitados dos acelerômetros, colocados no cone do nariz do foguete, são medidos em conjunto com a frequência de varredura que é detectada pelo sinal COLA. Eles são então computados em tempo real para fornecer informações detalhadas sobre a resposta da estrutura à excitação.
Configuração de Teste e Medição
Para garantir resultados relevantes para o cliente, era importante realizar um teste de varredura senoidal de 25-1000Hz, que é a faixa de frequência típica de vibração que um cone de nariz de foguete passará durante o transporte, o lançamento e o voo.
Para a aquisição de dados, estávamos usando um sistema com dois módulos SIRIUSi-HD-16xACC. O sistema DAQ forneceu 32 entradas de acelerômetro IEPE no total. O mesmo sistema DAQ também permite que o IAE / DCTA execute outras tarefas de medição e também oferece uma maneira fácil de estender o número de canais de entrada. Entradas adicionais como IEPE, tensão, temperatura, extensômetro e outras podem ser facilmente adicionadas para formar um sistema de grande número de canais quando necessário.
Para demonstrar a verdadeira potência da solução de processamento senoidal da Dewesoft, estávamos executando também análises de 1/3 de oitava e FFT verdadeira com resolução de 4096 linhas (a resolução de linha selecionável permite até 64.000 linhas) simultaneamente com processamento senoidal em todos os 31 canais. A única exceção foi o canal de entrada usado para o sinal COLA do controlador do shaker.
O próprio processamento senoidal é executado no software DewesoftX DAQ, incluindo a capacidade de conectar e medir outros parâmetros úteis, como condições ambientais do teste ou incluir vídeo em alta velocidade para observar como o DUT (Device Under Test) está se movendo durante o teste.
8 acelerômetros triaxiais foram acoplados à estrutura do cone do nariz (dimensões externas ɸ 874 mm x 1830 mm) na configuração para obter os melhores resultados possíveis.
Para o teste, estávamos usando cinco acelerômetros triaxiais Brüel & Kjaer e três acelerômetros PCB. Sete acelerômetros foram colocados junto com a forma da estrutura e, servindo como referência, um acelerômetro triaxial da PCB foi colocado no adaptador que fixa o cone do nariz à mesa do shaker.
Uma entrada analógica em nossos dois SIRIUSi-HD-16xACC foi usada para conectar o sinal de tensão COLA para detecção de frequência da varredura transmitida do controlador do agitador para o shaker e excitar a estrutura.
Os sistemas SIRIUS DAQ ambém incluem duas tecnologias muito importantes que levam as medições e a aquisição de dados para o próximo nível:
DualCoreADC
Isolação Galvânica
DualCoreADC - DAQ de alta dinâmica
Os amplificadores SIRIUS DAQ usam dois conversores AD de 24 bits para condicionamento de sinal. O SIRIUS alcança uma surpreendente faixa dinâmica de 160 dB no domínio do tempo e da frequência, com uma taxa de amostragem de 200 KS/s por canal.
Isolação Galvânica
O sistema DAQ também oferece alto isolamento de canal para canal e canal para terra, o que evita ruídos indesejados, oferece a melhor qualidade de sinal e evita danos aos sistemas devido a tensão excessiva e evita loops de terra.
O dispositivo em teste foi excitado na direção do movimento da mesa do shaker e nosso sistema de coordenadas foi colocado correspondentemente, de modo que o eixo y estivesse alinhado com o eixo de excitação.
O IAE / DCTA já estava usando um sistema designado para os testes e estava fazendo todos os cálculos da função de transferência no pós-processamento. O plug-in de processamento senoidal da Dewesoft é capaz de realizar o cálculo de funções de transferência, fase, RMS, pico e muitos outros parâmetros em tempo real.
Conclusão do Teste
Solução de processamento senoidal Dewesoft combinado com o poderoso sistema de aquisição de dados SIRIUS capaz de executar testes de grandes estruturas em tempo real em um número ilimitado de canais.
Cálculos adicionais, não selecionados para serem executados em tempo real, podem ser executados na pós-análise usando os dados do domínio do tempo que foram armazenados durante a medição.
O engenheiro de testes da IAE, Domingos Strafacci, concluiu:
O sistema é realmente fácil de usar e configurar. Ele economizará muito tempo ao realizar esse tipo de teste estrutural crucial.
A medição que ocorreu, neste caso, estava usando apenas um único nó de muitos nós que, de outra forma, estariam construindo um sistema maior. Deve-se notar, no entanto, que, independentemente do número de canais, as propriedades operacionais do sistema permanecerão inalteradas.
Como as atividades de pesquisa e desenvolvimento do DCTA consistem em muitos projetos diferentes, eles podem se beneficiar muito das vantagens dos testes estruturais e da flexibilidade do sistema Dewesoft, que pode ser usado para executar muitas tarefas, como aquisição de vibração de dados de estradas e rastreamento GPS da rota, análise modal na asa de um avião ou medição SRS durante o teste de separação dos estágios do foguete.
O líder de testes dinâmicos do IAE, Dr. Edilson Camargo, disse:
Como este sistema é muito flexível, nos permitirá lidar com uma variedade de nossas tarefas de medição diárias, e não apenas com o processamento senoidal. Com isso, poderemos otimizar nossos custos.