中國(guó)造火箭，為什么離不開振動(dòng)臺(tái)？

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導(dǎo)語(yǔ)：10月31日，神舟十六號(hào)載人飛船返回艙成功著陸。從2003年10月，“神五”飛天成為中國(guó)首次載人飛行任務(wù)成功。在這20年間，從神舟系列到嫦娥號(hào)，我國(guó)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(xiàn)，一臺(tái)臺(tái)看似普通的振動(dòng)平臺(tái)亦為航天工程快速發(fā)展立下“汗馬功勞”。

央視關(guān)于中國(guó)載人航天20周年報(bào)道

一、振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)：不起眼的“大國(guó)重器”

1）無處不在的振動(dòng)臺(tái)

抗沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)的“振動(dòng)平臺(tái)”在大型工廠中會(huì)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(wù)部和科技部發(fā)布的《中國(guó)禁止出口限制出口技術(shù)目錄》中在第九大類“專業(yè)設(shè)備制造業(yè)”，新增的第32條，“大型振動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)”證明了我國(guó)大型振動(dòng)臺(tái)目前在世界范圍的實(shí)力。

2020年《限制出口技術(shù)目錄》部分截圖

振動(dòng)平臺(tái)作為科學(xué)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(yùn)達(dá)前線時(shí)常常不能使用，經(jīng)研究才知道，是由于器材在運(yùn)輸時(shí)振動(dòng)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(dòng)測(cè)試的“考驗(yàn)”。振動(dòng)臺(tái)能夠模擬航天器在運(yùn)輸、飛行等使用過程中的振動(dòng)環(huán)境，是火箭、衛(wèi)星研制的必需設(shè)備，振動(dòng)行業(yè)與國(guó)防軍工有直接命脈關(guān)系。

《目錄》提到的“雙軸同步振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)”主要用于模擬細(xì)長(zhǎng)型產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)，比如空空導(dǎo)彈表面的氣動(dòng)擾流和載機(jī)的機(jī)動(dòng)抖振，振動(dòng)強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)和性能的影響也最為嚴(yán)重。“掛飛振動(dòng)”等復(fù)雜動(dòng)力環(huán)境是造成導(dǎo)彈發(fā)射失敗的重要因素之一。

導(dǎo)彈、掛架和結(jié)構(gòu)支撐體系統(tǒng)掛飛振動(dòng)試驗(yàn)

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

頻率和推力（噸數(shù)）成為振動(dòng)臺(tái)評(píng)判的重要性能指標(biāo)。

2）火箭等航天器為什么離不開大推力振動(dòng)臺(tái)？

在航天器發(fā)射過程中，通過振動(dòng)平臺(tái)檢測(cè)航天器是否“良好”的重要性不言而喻。運(yùn)載火箭等航天器在發(fā)射和動(dòng)力飛行期間，必須承受由于起飛、級(jí)間(整流罩)分離、二次點(diǎn)火、關(guān)機(jī)和航天器入軌等各項(xiàng)程序引起的振動(dòng)、噪聲、沖擊和加速度等動(dòng)力學(xué)載荷。種種動(dòng)力學(xué)環(huán)境會(huì)對(duì)航天器上組件造成結(jié)構(gòu)性的損壞，從而會(huì)影響發(fā)射任務(wù)的完成，甚至導(dǎo)致整個(gè)飛行任務(wù)失敗。

載人運(yùn)載火箭貯箱正在進(jìn)行多機(jī)并聯(lián)靜動(dòng)聯(lián)合試驗(yàn)

因此在航天器發(fā)射前必須利用振動(dòng)臺(tái)，模擬這些力學(xué)環(huán)境的地面試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。不斷試驗(yàn)火箭振動(dòng)時(shí)的環(huán)境條件，檢測(cè)部件是否保持完好無損，繼而進(jìn)行對(duì)應(yīng)的整改和優(yōu)化，增強(qiáng)火箭的成功率。

判斷振動(dòng)臺(tái)的先進(jìn)性，推力是重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。振動(dòng)臺(tái)的推力統(tǒng)一以“噸”為單位，1噸就是指振動(dòng)臺(tái)能產(chǎn)生9800牛的推力。

目前我國(guó)702所自主研發(fā)建成了70噸世界最大推力單體電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和140噸的多臺(tái)并激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

702所自主研制的70噸單體電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)

二、1噸推力1噸金

由于振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)可用于國(guó)防軍工、航空航天等敏感領(lǐng)域，與其余很多“大國(guó)重器”一樣，在振動(dòng)臺(tái)上也經(jīng)歷過歐美的技術(shù)壟斷與禁運(yùn)封鎖。

1）有錢也買不到

上個(gè)世紀(jì)80年代以前是禁運(yùn)1噸以上推力的振動(dòng)平臺(tái)，90年代后改為禁運(yùn)5噸以上推力的振動(dòng)平臺(tái)，后又改為禁運(yùn)9噸以上。當(dāng)時(shí)業(yè)界甚至有“1噸推力1噸金”的說法，最基礎(chǔ)的1噸級(jí)振動(dòng)臺(tái)，當(dāng)時(shí)美國(guó)曾開出了單價(jià)便高達(dá)4億元。但國(guó)防軍工等領(lǐng)域所需的更高推力振動(dòng)臺(tái)，即使再有錢也買不到。

20世紀(jì)，世界上電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)有兩大王牌企業(yè)：英國(guó)的“菱”公司(即Ling Dynamic Systems)和美國(guó)的“菱”公司(即Ling Electronics)，掌握了振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的高端制造技術(shù)，壟斷和主導(dǎo)振動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。

1969年7月16日，美國(guó)“土星5號(hào)”火箭載著“阿波羅11號(hào)”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(gè)多世紀(jì)前研制的全球最厲害的火箭，其推力高達(dá)3408噸，具備將140噸重量的物體送入近地軌道的強(qiáng)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(guó)測(cè)驗(yàn)“土星五號(hào)”的振動(dòng)臺(tái)，采用是8個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)振動(dòng)臺(tái)，當(dāng)時(shí)其振動(dòng)臺(tái)推力約為29噸左右。

“土星5號(hào)”火箭已成為“絕唱”，目前美國(guó)自己也造不出

2）買不如造，走出困境

1995年， “蘇州東菱振動(dòng)”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(biāo)，寓意“東方之菱，民族之菱”。

“東方之菱”果然不負(fù)眾望, 先后打破中國(guó)的多項(xiàng)紀(jì)錄：2002年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)6噸級(jí)風(fēng)冷式振動(dòng)臺(tái)研制成功，；2004年國(guó)內(nèi)最大的16噸級(jí)水冷式振動(dòng)臺(tái)問世，為神舟六號(hào)載人飛船保駕護(hù)航，從此徹底打破了歐美對(duì)中國(guó)大型振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)封鎖和禁運(yùn)。

東菱成功研發(fā)的16噸水冷式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

三、中國(guó)大型振動(dòng)臺(tái)技術(shù)如何取得“主動(dòng)權(quán)”

1）美國(guó)的大型并聯(lián)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，美國(guó)已研制出了比“土星五號(hào)”所使用的振動(dòng)臺(tái)更大的并聯(lián)振動(dòng)臺(tái)。2008年，美國(guó)TEAM公司建造成450噸的振動(dòng)臺(tái)，用以對(duì)“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）進(jìn)行測(cè)試，這一振動(dòng)臺(tái)由20個(gè)液電混合驅(qū)動(dòng)器組成，可以對(duì)直徑7.2米、高22.8米的火箭進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。

美國(guó)NASA的大型振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備

并機(jī)系統(tǒng)有諸多先天性缺陷，是一種推力達(dá)不到情況下的權(quán)宜之策。多臺(tái)并機(jī)結(jié)構(gòu)需要在多臺(tái)小推力的振動(dòng)臺(tái)頂部附加一個(gè)大尺寸、大質(zhì)量的公共臺(tái)面，附加臺(tái)面易引起臺(tái)面振型模態(tài)的變化、大幅降低臺(tái)面運(yùn)動(dòng)的均勻度指標(biāo)等試驗(yàn)問題，從而使整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的有效推力與可靠性大幅降低。

中國(guó)選擇在另一種技術(shù)上取得突破，我國(guó)振動(dòng)臺(tái)發(fā)展迎來關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2）中國(guó)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)從50噸、70噸到140噸

2006年，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界最大推力的35噸電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在蘇州東菱誕生。全程參與我國(guó)從“神五”到“神九”，從“天宮”到“嫦娥”等所有載人航天工程重要設(shè)備的振動(dòng)和力學(xué)動(dòng)力沖擊試驗(yàn)。

電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)是一種頻率范圍廣、能貫徹從低頻到高頻的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，工作原理是由固定磁場(chǎng)和裝在該磁場(chǎng)中通以電流的動(dòng)圈相互作用作用產(chǎn)生激振力，當(dāng)動(dòng)圈線圈通以交變電流時(shí)，動(dòng)圈就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的交變運(yùn)動(dòng)。

電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)原理

對(duì)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(dòng)振動(dòng)臺(tái)了。然而，多臺(tái)設(shè)備的同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)不僅很難達(dá)到測(cè)試航天器所要求的頻率，而且當(dāng)兩臺(tái)振動(dòng)臺(tái)都達(dá)到2000赫茲時(shí)，它們的掃頻范圍就會(huì)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(huì)更加嚴(yán)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(guó)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域最高水平的三軸同振電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)、國(guó)內(nèi)最大的40噸電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、多點(diǎn)并激電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)、四綜合電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)等多個(gè)新產(chǎn)品。

蘇試三軸六自由度電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

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

而70噸的振動(dòng)臺(tái)問世對(duì)我國(guó)新一代運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征五號(hào)”也有著很重要的推動(dòng)作用。因?yàn)椤伴L(zhǎng)征五號(hào)”整流罩的尺寸和重量都有所增加，70噸的振動(dòng)臺(tái)完全可以滿足“長(zhǎng)征五號(hào)”的振動(dòng)試驗(yàn)需求，也能夠滿足下一代大型運(yùn)載火箭的振動(dòng)試驗(yàn)需求。

2016年2月，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院總裝與環(huán)境工程部自主研制的140噸振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，具有完全獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。順利完成驗(yàn)收測(cè)試及某型號(hào)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。

五院總環(huán)部自主研制的140噸振動(dòng)試驗(yàn)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(yīng)式振動(dòng)臺(tái)的銷售合同。這是我國(guó)首次將大推力的感應(yīng)式振動(dòng)臺(tái)應(yīng)用于新能源領(lǐng)域。

2022年2月，702所中標(biāo)了中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的振動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目，70噸電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)將為我國(guó)的核動(dòng)力工程進(jìn)行試驗(yàn)，這是我國(guó)航天高科技首次應(yīng)用于核動(dòng)力工程。在未來我國(guó)的大型振動(dòng)臺(tái)還將應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

結(jié)語(yǔ)：

很多自媒體說“美國(guó)沒有我國(guó)的振動(dòng)臺(tái)就無法發(fā)射火箭”，這確實(shí)是夸大其詞，美國(guó)仍然掌握著很多世界頂尖技術(shù)，比如，我國(guó)至今還沒有像“土星五號(hào)”這樣的運(yùn)載火箭，中國(guó)人也還沒能登上月球。但是圍堵中國(guó)“卡脖子”科技封鎖，是不能遏制住中國(guó)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(huì)讓中國(guó)變得更高更強(qiáng)”，現(xiàn)在我國(guó)大型振動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的跨越式發(fā)展就是最好證明。

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)載戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈掛飛環(huán)境地面振動(dòng)試驗(yàn)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(dòng)臺(tái)上的試驗(yàn)案例、場(chǎng)景