當前位置：首頁 > 行業(yè)應(yīng)用 > 實驗應(yīng)力分析：學生用HBM產(chǎn)品征服對流層
蘇黎世聯(lián)邦理工大學（ETH Zurich）瑞士學術(shù)空間機構(gòu)（ARIS）的學生自2017年以來一直在建造研究火箭。2020/21年，一個由50多名攻讀學士、碩士或博士學位學生組成的團隊，作為 PICCARD 項目的一部分，開發(fā)了第四代研究型火箭，并在葡萄牙參加了歐洲火箭挑戰(zhàn)賽（EuRoC）。
他們的目標是用他們的 PICCARD 研究火箭贏得“學生研發(fā)，30000英尺高空發(fā)動機”類別的獎項。這是首次由學生開發(fā)的混合推進發(fā)動機，并在2021年10月在歐洲火箭挑戰(zhàn)賽（EuRoC）上成功推出。這一成功還得益于一個新的監(jiān)測系統(tǒng)，測量和監(jiān)控火箭氣動結(jié)構(gòu)上的載荷。該系統(tǒng)使用 HBM 應(yīng)變計來獲得飛行所有階段產(chǎn)生的彎矩和軸向力的寶貴信息。
這為進一步優(yōu)化研究火箭并成功參加2022年美國太空港杯大賽奠定了基礎(chǔ)。在這里，作為HELVETIA后續(xù)任務(wù)的一部分，該團隊希望能將一個4公斤的有效載荷攜帶到30000英尺的高空，并使火箭的所有部件安全返回地球。
火箭結(jié)構(gòu)在飛行中會承受相當大的載荷。其中一些應(yīng)力可以通過仿真模擬來確定。然而，一些關(guān)鍵的影響因素，如風或降落傘打開時阻力的沖擊，在分析中無法精確確定。同時還需要所有載荷的可靠數(shù)據(jù)，才能制造出一個足夠堅固，重量又輕的火箭氣動結(jié)構(gòu)。
為了驗證飛行條件下作用在PICCARD火箭氣動結(jié)構(gòu)上的載荷（仿真模擬），并在必要時進行修正，火箭集成了一個監(jiān)測實際發(fā)生的彎矩和軸向力的系統(tǒng)。HBM應(yīng)變計是該實驗應(yīng)力分析系統(tǒng)的核心，即使在極端條件下也能可靠地提供有意義的測量結(jié)果。通過獲得的這些信息，可以更好地了解飛機結(jié)構(gòu)在飛行的所有階段所承受的載荷，從而有針對性地優(yōu)化火箭結(jié)構(gòu)。
在過去，ARIS團隊通過模擬使用簡化假設(shè)，純粹通過分析確定作用在飛行中的火箭上的載荷，在新的 PICCARD 項目中，首次使用了專用的監(jiān)控系統(tǒng)。將堅固的應(yīng)變計集成在火箭中，獲取作用于火箭氣動結(jié)構(gòu)的載荷。通過記錄的彎矩和軸向力數(shù)據(jù)，來對結(jié)構(gòu)部件進行重量優(yōu)化，以獲得最佳結(jié)果。目標是奪取2022年在新墨西哥州舉行的美國太空港杯。
瑞士學術(shù)空間機構(gòu)（ARIS）于2017年8月在蘇黎世聯(lián)邦理工大學成立。它鼓勵學生將他們的理論知識運用到實際項目中。ARIS團隊的年輕學者一直在開發(fā)火箭，積極參加世界各地的比賽。
2020年，第四個ARIS任務(wù)與PICCARD項目一同啟動。這項任務(wù)的目標是贏得2022年新墨西哥州舉辦的美國太空港杯。在這次比賽中，該團隊希望將他們的火箭的4公斤有效載荷運送到30000英尺高空，所有部件安全返回地球。為了實現(xiàn)這一目標，50名在讀學生開發(fā)了全新的PICCARD火箭。
和以往將驅(qū)動技術(shù)外包不同，PICCARD 是首次由學生研發(fā)的混合推進發(fā)動機。新火箭在葡萄牙舉行的歐洲火箭挑戰(zhàn)賽上首次成功飛行，證明了該系統(tǒng)的有效性。
除了新發(fā)動機，火箭上還首次集成了基于HBM應(yīng)變計的監(jiān)控系統(tǒng)。在它的幫助下，PICCARD團隊能夠在飛行過程中收集有價值的數(shù)據(jù)，從而有針對性地對火箭進行優(yōu)化，以便在美國太空港杯大賽中成功發(fā)射。
對于確保 PICCARD 火箭能夠成功飛行并返回地球，一個足夠堅固的航空結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。它必須在盡可能輕的情況下應(yīng)對飛行各個階段產(chǎn)生的所有載荷。獲知有效載荷是確保其能夠自動推進到所需高度的唯一方式。因此，團隊需要精確了解飛行期間作用在結(jié)構(gòu)上的所有可能載荷，以便賦予火箭最大強度和最小重量。
在PICCARD的開發(fā)過程中，學生們采用模擬仿真技術(shù)來確定設(shè)計火箭氣動結(jié)構(gòu)最重要的參數(shù)。然而，模型僅能預(yù)測大概的外部影響。相比之下，真實飛行需要獲取實際發(fā)生載荷的精確數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化火箭航空結(jié)構(gòu)。
在一個單獨的子項目中，學生們?yōu)镻ICCARD任務(wù)開發(fā)了一個輕量級、易于實現(xiàn)且精確的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝在火箭油箱上方，可以記錄火箭飛行過程中產(chǎn)生的彎矩和軸向力。這為進一步優(yōu)化火箭結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，希望能在2022年美國太空港杯上獲得冠軍。
在監(jiān)測系統(tǒng)中安裝了三個惠斯通電橋，其中兩個用于測量x和y方向的彎矩，一個用于測量z方向的軸向力，每個電橋配有兩個HBM應(yīng)變計，用于測量載荷。應(yīng)變計安裝在火箭碳纖維外殼的內(nèi)部。使用350Ω應(yīng)變計，并提供3.3 V的高精度電壓。所有信號電纜均經(jīng)過屏蔽，以確保最佳信號質(zhì)量。測試表明，該模塊的噪聲非常小。傳感器采用三點彎曲試驗進行校準。對于彎曲載荷，引入了高達最大載荷四分之三的載荷。
彎矩變形可通過軸向力和溫度進行補償。軸向力測量了彎曲力和法向力引起的力分量，僅補償了溫度引起的變形。為了獲得有關(guān)軸向力的直接信息，需要進一步處理這些測量數(shù)據(jù)。
新的監(jiān)測系統(tǒng)在葡萄牙首次使用期間展示了其能力。它可靠地測量了飛行過程中的載荷，并提供了所希望的大部分數(shù)據(jù)。從火箭發(fā)射到飛行的遠地點（最高點），x和y方向上的軸向力和彎矩可以精確確定。
不幸的是，在返回地球的過程中無法收集有意義的數(shù)據(jù)：由于降落傘系統(tǒng)的技術(shù)故障，降落傘沒有按計劃在遠地點展開。只是在火箭以240米/秒的速度下落時，它們才打開。造成的沖擊力太大，以至于火箭破裂。
盡管缺乏下降的測量值，但這些數(shù)據(jù)仍然有助于更好地了解系統(tǒng)。PICCARD 火箭的氣動結(jié)構(gòu)可以進一步優(yōu)化，提高了在2022年美國太空港杯的獲勝可能性。
在為新開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)選擇測量技術(shù)時，HBM 應(yīng)變計是理想的選擇。理由包括過去的經(jīng)驗，該公司在測量技術(shù)領(lǐng)域的國際聲譽，以及在最苛刻的環(huán)境條件下提供精確結(jié)果的能力。另一個優(yōu)點是應(yīng)變計易于集成，實現(xiàn)了HBM的“即插即測”承諾。此外，HBM團隊還積極為PICCARD項目提供幫助和建議。
蘇黎世聯(lián)邦理工大學（ETH Zurich public research university） 的 瑞士學術(shù)空間機構(gòu) 自2017年以來一直致力于建造火箭。他們的目標是應(yīng)用和深化理論知識，參加各種航空航天比賽。蘇黎世聯(lián)邦理工大學是一所專門研究技術(shù)和自然科學的大學。它成立于1855年，如今是世界上最著名的大學之一。16個系共招收了約23000名本科生和研究生。
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