航天器测试是怎么进行的？
ESA，全称欧洲航天局，主要致力于研究运载火箭和开展无人深空探索任务。其总部位于法国巴黎，操作中心、技术中心、天文中心等机构则分布在其他成员国中，我们今天参观的，是设在荷兰诺德韦克的ESTEC测试中心，这是欧洲最大的同类型测试中心，也是世界上最大的测试中心之一。
不用环游世界也能环游世界在美璟V
R游览全世界你好我是美璟旅行师胡
迪美璟太空探索系列再度更新今天和
你见面的是欧空局ESAESA全称
欧洲航天局和我们熟悉的NASA
一样是一家航空航天科研机构主要
致力于研究运载火箭和开展无人深空
探索任务听起来它的任务目标和
NASA喷气推进实验室JPL有点
相似胡迪我就曾出过一期JPL的
完整行程感兴趣的朋友可以安排一下
说回ESA它最早研发的阿里亚娜一
型火箭能将1.85吨的有效载荷
送入地球同步转移轨道至今已经迭代
了五个型号还曾研制发射过火星快车
号火星探测器罗塞塔号彗星探测器
金星快车号等无人探测设备对深空
星体和星系进行了相应探测不过呢
不同于NASA这个个体户欧空局由
22个成员国共同组成其总部位于
法国巴黎操作中心技术中心天文中心
等机构则分布在其他成员国中咱们
今天参观的是设在荷兰诺德韦克的E
STEC测试中心它所属的欧洲航天
研究和技术中心是欧空局的主要技术
机构用以进行技术研究和试验测试
几乎所有欧空局研发的卫星啊探测器
啊都得到这儿来进行功能测试接下来
我们就边走边说开始本次游览吧
ESTEC测试中心位于诺德韦克海岸
沙丘旁的专门建筑中这是欧洲最大的
同类型测试中心也是世界上最大的
测试中心之一今天在这里咱们就聊聊
探测器的测试我们都知道一台
人造卫星或是其他的行星探测器从
设计研发到进入太空会经过许多步骤
研制完成后的测试是它们在上天之前
的最后一步而在开发的各个阶段也
必不可少广泛的测试环节毕竟航天器
开发费用高且一旦进入轨道就无法
修改测试的重要性不言而喻我们现在
已经进入了ESTEC测试中心的二楼
大厅这里的测试服务由欧洲测试服务
公司ETS提供ETS是一家成立于
2000年的测试公司所提供的服务
涵盖测试设施集成测试和测试服务的
管理运营等等成立至今已经成为了
欧洲航空航天行业测试服务的主要
供应商之一在欧洲许多其他航天机构
中也有分布我们本次行程也即将从
这里出发全面参观ESTEC测试中心
了解不同区域对航天器所进行的测试
内容
作为欧洲最大的同类型测试中心E
STEC拥有许多不同功能的测试区域
各测试区以透明玻璃和外界相隔好让
前来参观的游客也能对内部空间
一览无余现在呢我们站在测试中心
二楼的游客走廊面前就有两个不同的
测试区左边这间是用以进行抗振测试
的振动测试间右边这间以蓝色作为主
色调的呢是ESTEC的真空测试间
拥有欧洲最大的单一真空模拟设施
大型空间模拟器LSS喏就是房间里
那个圆柱形的大家伙它可以在各种
代表性的空间条件下测试全尺寸的
航天器从1986年首次投入使用
以来已经成为航天器测试中不可替代
的设施了一般来说游客来到ESTEC
是不被允许进入测试区的只能在外头
的走廊上参观看看这儿的LSS模型
不过咱们今天呢沾了美璟VR游览的
光不仅可以走进测试间甚至还能
零距离接触测试设备呢
首先我们来到了ESTEC的振动测试
间这里测试的是航天器的抗振能力
为什么要进行抗振测试你知道吗从
发射到入轨这个过程中受到的振动是
航天器面临的主要风险之一为了确保
它们能够成功升空并进入轨道飞行
我们必须在类似的振动条件下对
航天器及其零部件进行测试通常在
开发阶段研究人员就会在这里对
航天器的结构模型进行设计资格测试
以证明设备能承受后续的振动水平
开发完成后航天器还会在此接受验收
测试来确保后续运行振动测试间中这
几台黄色设备呀就是这里的主要
工作人员振动器它们所产生的力以千
牛顿为单位数字越大振动力也就越大
体积较小的80千牛顿振动器一般
用于测试小零件的高加速度水平另外
两台160千牛顿的可以单独用来
测试零件系统也可以合体以320
千牛顿的振动力来测试最终的航天器
的抗振能力
除了一台80千牛顿两台160千
牛顿振动器之外振动测试间还配备了
一个大型振动滑动台和一个四边矩阵
振动系统从刚才的位置经过
160千牛顿振动器和滑动台你
现在脚下就是最重量级的四边矩阵
系统了这是振动测试间体量最大的
振动系统由四台160千牛顿
振动器提供振动力它们都被放置在
振动台下方的空间当中这样构成的
四边矩阵振动系统可以对超大型和
超重的航天器进行垂直方向的振动
测试测试时产品通过边长3.3米的
镁制四边形接口被固定在振动台上算
一算四台160千牛顿振动器产生
640千牛顿的推力最终可以测试
高达10000公斤的有效载荷呢
讲完振动测试我们走进隔壁的真空
测试间大型空间模拟器LSS已经在
等着你的到访啦按照惯例我们先介绍
一下LSS的测试内容它呢可以对
航天器在轨运行的环境条件进行模拟
从而对航天器进行一系列广泛的测试
以便对航天器和有效载荷进行设计
优化和验证它的主要测试类型分为
机械测试和热测试两大部分机械测试
包括了太阳模拟航天器运动以及
航天器的动态平衡等测试内容热测试
的目的则是航天器对外部温度变化的
适应能力通过再现航天器在轨运行时
引起的快速温度变化让它拥有适合的
温度模式接下来就让我们穿过面前
时空隧道般的圆形洞口进入大型空间
模拟器内部瞧瞧
哇噻没想到这家伙肚子里还别有一番
天地呢~从洞口进来我们先是沿楼梯
来到了一处下沉空间这里是大型空间
模拟器的主腔室通常我们前面提到的
机械测试和热测试都在此进行作为
欧洲最大的真空室它高约15米直径
10米左右足以容纳一辆双层巴士我们
经过的侧面洞口实际上是工程师入口
航天器一般会从顶部的巨大舱口下降
进入一旦顶部和侧面的舱口被完全
密封模拟器就开始了对航天器的太空
环境模拟测试啦其中高性能泵会产生
比标准海平面大气低十几亿倍的真空
并保持数周航天器呢就在这样的真空
环境下模拟运行确保等到真正上了
太空之后能更好地完成任务
当舱门密闭这里模拟的还不仅仅是
太空真空环境还有航天器在太空旅途
中将会遇到的极端温度因为在现实
情况下航天器进入太空容易面临或冷
或热极端温度的挑战导致航天器材料
收缩或膨胀任务性能也会受到影响
看到腔室四壁这一根根黑色管道了吗
它们当中被注入了零下190
摄氏度的液氮用以模拟深空的极端
严寒当然航天器并不会一直生活在
极冷条件下当它们运动到靠近太阳的
位置时温度迅速升高所以大型空间
模拟器中也会对航天器进行模拟太阳
照射我们所处的辅助腔室呢就是连通
主腔室和太阳模拟仪器的接口通道
太阳光怎么产生我马上带你去探索
探索
看这就是模拟太阳的幕后真面目它以
具有极高发光强度的氙元素为基础
构建了一系列强大的氙气灯可以产生
直径6米均匀稳定的水平太阳光束
模拟地球自转轨道上未经过滤的
太阳光线而将氙气灯功率调大产生的
就相当于航天器更靠近太阳时所接
收到的能量强度啦太阳光产生之后呢
辅助腔室的六角形镜面便会将它反射
到航天器表面极冷和极热取决于
航天器是在阴影中还是暴露在阳光下
热测试就是这么进行的出色的测试
水平也让大型空间模拟器成为测试
航天器的绝佳工具从1986年投入
使用以来LSS已经为欧空局的许多
大型任务执行过热测试和机械测试
其中就包括了欧空局的对地观测卫星
Envisat1999年发射的XMM
牛顿卫星还有能力超强的货运飞船A
TV呢
这儿是模拟太阳的控制室在工程师的
幕后操作下氙气灯组成的人造太阳
具有出色的均匀性和超高的稳定性
误差小于0.5%19个氙气灯
模块中每盏灯以20千瓦的功率运行
正好可以产生一个太阳常数的标准
太阳能强度水平根据需要模拟太阳还
可以进行长时间和高强度的测试功率
也可以提升到最高32千瓦2007
年土壤水分和海洋盐度卫星SMOS
在此模拟了深空低温和太阳辐射2021
年木星探测器冰月号也在此
经历了为期一个月的类太空条件测试
模拟了它在未来88个月的巡航
期内将会遇到的灼热阳光飞跃金星时
的极端温度等等零下180摄氏度
到零上250摄氏度的温差一次性
都体验到位了说到这儿就顺便再多提
一点儿冰月号计划于2023年4月
发射升空它的任务是对木星及其3颗
卫星进行液态水的观测从而寻找像
木星这样的巨型气态行星周围是否有
宜居环境的存在
振动测试间另一边是新安装的
Phenix热真空室眼前这个
机器里头就是这儿的主要测试区它的
目的是将有效载荷机械装置或完整的
小型航天器暴露在一定的空间条件下
比如真空状态和高低温反复循环的
极端温度下测试它们的性能听起来
是不是很耳熟实际上Phenix
热真空室执行的测试任务和大型空间
模拟器LSS的类似不过可以看出来
这里的规模较小且里面没有模拟太阳
最开始ESTEC只有针对最大有效
载荷和大型航天器的大型空间模拟器
为了方便对较小规模系统和卫星等
进行同样的测试才新建了
Phenix这样一来ESTEC
测试中心能够提供的服务范围也就更
大啦~
ESTEC用于进行前期振动测试的
设备叫液压多轴振动器缩写为Hyd
ra是一个和四边矩阵
振动系统类似的多边形振动台也是E
STEC测试中心里头同类型振动台中
功能最强大控制最精确的不过在具体
介绍它之前我们先环顾一周看看这里
其他的测试设备除了用于振动测试的
机器之外测试间里还拥有一系列能够
确定航天器物理特性的设备物理特性
包括质量重心惯性矩和平衡能力等等
这里的体重秤采用了最先进的校准
系统和重量标准可以准确称量0.1
千克到5吨重量不等的航天器和零件
体型最大的机子呢有多种用途可以
测量重心惯性矩动态平衡通过测试
工作人员可以确保航天器无论是在
空气中还是真空条件下无论是静止
还是动态旋转时都能保持一定程度的
平衡从而减少航天器运动过程中的
空气阻力让它更轻便地在太空飞行
好了现在我们的重点就放到脚下的
液压多轴振动器上来胡迪在带你进入
测试间之前就说过液压多轴振动器
模拟的是航天器发射前几分钟内的
剧烈振动这几分钟可以说是航天器最
难熬的几分钟为了确保它们顺利进入
太空就需要用液压多轴振动器来进行
最严格的振动测试乍一看它的可见
部分是一块与地面齐平的八角形面板
但仔细观察就会发现这底下还藏着
不少家伙呢18吨重的金属面板下方
共有8台用于驱动的液压缸且每个
液压缸能提供高达630千牛顿的
振动力最终能产生相当于里氏7.5
级地震的振动效果呢
功能如此强大的液压多轴振动器它的
内部会是什么样子嘿嘿咱美璟世界
当然不会让你白来一趟从地下室这间
绿色小门就能进到振动器里边儿啦去
之前呢咱们稍作停留继续介绍下
Hydra作为ESTEC测试中心里振动
力度最大的振动器它不仅可以在正弦
随机冲击等多种模式下进行振动测试
还能够执行一系列短暂单脉冲模式下
的瞬间振动测试和其他振动设施相比
液压多轴振动器可以测试体积更大更
重的测试样本可以测试更大的位移在
较低的振动频率下进行测试还能在不
改变配置的情况下进行任意方向的
测试这些特点都是普通振动设备所
没有的
这里就是神秘的液压多轴振动器内部
液压管道传感器等电子设备随处可见
里头还包括了工程师为它专门开发的
振动和控制计算机子系统12个
传感器被安装在靠近测试平台的地方
经过信号传输再由36个数字
信号处理器进行测试数据的处理另外
刚才提到液压多轴振动器的一个独特
之处在于它能进行任意方向的测试换
种更官方的说法它能够同时在所有
运动轴上执行机械振动测试什么意思
呢就是说无论是物体平移还是旋转且
不管是在垂直水平哪个方向它都能对
航天器进行准确的测试覆盖的测试
范围涵盖了1-100赫兹频率处理器
数据表明在一定的频率下它已经实现
了高达5g的加速度可以摇动重达
23吨的测试物品
我们现在看到的是液压多轴振动器的
管道输送系统也就是我们常说的
液压泵它以液体作为介质利用压力产
能来传递动力这也是液压多轴振动器
超大动力的来源作为欧洲最大的同类
型振动系统液压多轴振动器从
1996年安装以来曾执行过许多
欧洲最大的航天器测试其中包括
1997年的Envisat对地观测卫星2007
年有史以来最大的民用地球
观测卫星重达8吨的Herschel
迄今为止测试过最大的航天器则是
2002年发射的ATV自动运载
飞船它发射时重达22吨且推进剂
箱全部装满你去欧空局的官网找找
还有不少当时壮观的测试照片呢
离开液压多轴振动测试区我们即将
前往ESTEC下一个声学测试区
顾名思义那儿进行的当然就是声音对
航天器影响的测试啦~还记得胡迪在
开头为你介绍过ESA ESTEC测试
中心的各个测试区都相互连通有的则
以隔间分割咱们从振动测试区走到
声学测试区就需要经过一个大型洁净
组装隔间这儿不执行测试任务而是
部分航天器及其子系统集成组装的地
方像什么中红外相机光谱仪可以在这
这组装到有效载荷模块中有效载荷
这样的子系统模块也可以在这里被
集成为最终的成品航天器从而进行下
一步的测试
经过组装区ESA的大型欧洲声学
设施现在已经在你眼前了喏就是内
嵌入墙壁的这部分绿色空间它的外部
通道和其他测试间相连这一扇扇大门
背后都是不同的测试区域一会儿参观
完声学设施咱们还得从这儿走呢诶说
回眼前的设施它全称大型欧洲声学
设施缩写为LEAF相信任何一个
目睹过火箭发射的人都会被它当下
产生的噪音震撼胡迪亲身体验即使是
站在离发射台几公里的地方那噪音都
响当震耳发射器顶部的卫星和其他
航天器就更不用说了它们感受到的
噪音更强且有可能会对航天器造成不
可逆的伤害所以呢在那之前我们就
必须测试航天器能否承受住这些声音
LEAF干的就是这活儿~它可以对
航天器及其外部有效载荷进行声学
噪声测试以确保它们在火箭发射过程
中不会发生损坏那具体是怎么完成的
呢我带你走到测试区去感受感受~
宽11米进深9米高16.4米的L
EAF是欧洲最大的同类设施它的
墙壁由0.5米厚的钢筋混凝土支撑
可以更好地容纳产生的声音并涂有
厚厚的环氧树脂涂层来减少噪音吸收
增强内部混响效果可以看到面对着
大门右侧的墙壁上被打通了好几个
大小不一的圆孔孔里的白色结构呢是
专门的噪音喇叭它们大小不同噪音
频率也不一样总体设计则和立体声
扬声器基本相似据说可以产生相当于
好几架喷气式飞机从30米外同时
起飞的噪音这样的噪音水平已经跟
发射器发动机所产生的噪音以及
航天器在大气飞行期间感受到的气流
噪音不相上下了
大型欧洲声学设施的噪音系统共由
4个噪音喇叭组成它们的低频
截止频率分别是25Hz35
Hz80Hz和160Hz外加
三个高频噪声发生器如此通过喇叭
喷出氮气总共可以实现高达156
分贝的噪音水平就像多架
喷气式飞机在你身边同时起飞这程度
足以对人耳造成损伤对航天器的伤害
更是不小LEAF就以此来对航天器
进行一系列声学测试使它们能够承受
未来将会面临的巨大噪音2018年
表征外行星航天器Cheops就在
这里接受了噪音测试不过需要注意的
是由于噪音分贝太高安全起见LEA
F只有在所有门都关闭后才能运行
要不然周围其他测试间的航天器就得
遭殃咯哈哈~
好啦逛完大型欧洲声学设施我们回到
它门口的通道上那里和其他几个测试
间相连咱们一个一个游览过去首先
进入的是三号隔间这儿啊不是测试区
它的作用就是把四面的房间分隔开来
纵向这扇白色大门通往的是液压多轴
振动测试区顺时针转过来它的隔壁
就是刚才经过的噪音系统大型欧洲
声学设施再右边呢是ESTEC的
基础设施区域洁净室检查区气闸
办公室会议室等等说到这儿ESTEC
测试中心一共有四间专门的洁净室
用来同时容纳多个航天器的测试活动
咱们今天参观其中之一也是位于
三号隔间旁的罗塞塔洁净室~
洁净室也叫无尘室是指空气洁净程度
相对较高的密闭空间如果你跟随胡迪
游览过NASA喷气推进实验室的
行程肯定还记得进入洁净室前咱们还
得换上专门的工作服呢~为了保证
航天器的洁净无灰尘污染部分测试也
需要在这样的洁净室当中进行我们
一会儿要去的麦克斯韦试验箱就专门
用于电磁测试说回眼前的ESTEC的四
间洁净室都有单独的名字这间罗塞塔
洁净室以ESA的罗塞塔号彗星
探测器命名罗塞塔号于2004年
发射升空目标是追逐彗星进入彗星
轨道并最终降落彗星对其进行研究
2014年8月6日罗塞塔号经过地球
和火星的多次引力加速花费了整整
10年时间跨越4.3亿公里才终于
追上了一颗高速运行的彗星67P丘
留莫夫格拉西缅科彗星如今已经对它
展开了许多测试研究啦而ESTEC这间
罗塞塔洁净室正是罗塞塔号曾经进行
测试的地方~
罗塞塔洁净室中的麦克斯韦试验箱是
对航天器进行电磁测试的地方它以
创立了电磁场理论的物理学家詹姆斯
克拉克麦克斯韦的名字命名如你所见
整个空间被9米高且四面带着尖钉的
金属墙壁包围和外界几乎完全隔离
一旦大门关上这个密闭空间就会形成
一个法拉第笼这种笼子形状的设施由
金属或良导体构成可以用于演示等
电势静电屏蔽高压带电作业原理等等
法拉第笼形成之后麦克斯韦就能将
外部的电磁信号屏蔽墙壁上无数
金字塔般的消声泡沫则能吸收掉内部
的电磁信号和声音防止墙壁反射模拟
太空中的无限空洞这时候我们就可以
对航天器进行电磁兼容性和静电放电
测试了比如检测系统之间潜在的有害
电磁干扰航天器可能产生的无线电
发射等等确保航天器中的所有元件都
能正常协同工作完成任务
在洁净室里组装和测试航天器可以
最大限度降低出现故障的概率也是
因为这个特殊性罗塞塔洁净室和
麦克斯韦试验箱不能直接与外部空间
相连进入洁净室前还要先经过气闸室
那里是洁净室前的缓冲区一系列送风
进风的循环系统让它拥有十分强大的
自我洁净功能也能有效隔绝内外空气
防止洁净室和外界接触我们现在所在
的呢是气闸室更外头的四号隔间它和
三号隔间一样分隔开了周围的测试间
四面通往的分别是气闸和洁净室大型
欧洲声学设施的噪音喇叭和用于
航天器天线测试的紧凑型有效载荷
试验场咱们下一个目标就是它啦
紧凑型有效载荷试验场
Compact Payload
Test Range简称CPTR自
1990年底开始运行由一个带供电
扫描室的屏蔽电波暗室一个附属
控制室和一个测试准备区组成和
麦克斯韦试验箱的内部装修相似CP
TR的墙壁地板和天花板上同样布满
了三角形的消声泡沫防止墙壁反射
最大程度保证了测试的准确性当然
它们的测试内容肯定是不一样的CP
TR主要做的是辐射航天器的有效
载荷从而验证复杂辐射系统的在轨
性能可以看到房间里包含了一对专门
设计的碳纤维反射器它们能将航天器
接收到的球形无线电信号转换为更
接近深空中的直线信号束人为地在
小区域内创造了和广阔空间相等的
辐射传输条件让测试的航天器在有限
的空间中也能拥有置身太空的神奇
效果这也是CPTR名字里紧凑的
来源
哟不知不觉本次ESA测试中心的
游览也走到尾声了最后来个小惊喜带
你看看火星视角下的星空~太空探索
系列的老朋友呢对这番景象肯定不会
陌生火星作为地球的兄弟行星自古
便是人类探索的重要目标从20世纪
60年代第一台探测器登陆火星地表
已有50多年此后一代又一代航天器
让我们认识到了更真实的火星和广袤
宇宙而在它们的背后则是无数航天人
和ESA等航天机构的不懈努力我们
今天所游览的测试中心更是其中
不可或缺的重要部分好了本次行程胡
迪就先陪你到这儿戴上VR头显
可以获得更真实的游览体验想要
近距离欣赏细节的朋友胡迪推荐你
通过PC端进行游览另外喜欢我的
讲解记得转发和分享有机会获得璟卡
解锁更多行程~最后感谢行程策划
Vicky行程顾问十一Echo小小
VR摄影师eyerevolution
Marcio Cabral我是美璟
旅行师胡迪我们下次再见~