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1、硬X 射线调制望远镜部件的力学实验及讨论吴枚陈勇张童( 中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室北京1 0 0 0 4 9 )摘要：硬x 射线调制望远镜( H X M T ) 是按照我国科研工作者提出的解调方法设计的硬X 射线探测器。2 0 0 4 年，H X M T 的物理样机已顺利完成，其关键部件准直器的力学环模实验已顺利通过。试验中发现，试件实际经受冲击的强度远大于A n a s y s 计算的结果，并由此产生一些值得探讨的现象。一H x M T 简介硬X 射线调制望远镜( H X M T ) 是按照我国科研工作者提出的解调方法设计的硬x 射线探测器，其几何面积为5 3 0 0 c
2、 m 2 ，是目前世界上灵敏度最高、分辨率最好的硬X 射线望远镜。其造价为I N T E G R A L 的l 8 。图l 为H X M T 的总体图，它由1 8 套相同的准直器和复合晶体探测器组成。探测器和准直器的构成如图2 、图3 示。由于卫星的公转和进动，18 个探测器准直器单元完成巡天扫描，并对X 射线天体成像。图4 是地面模拟成像的结果。图l ：H X M T 总体图3 9 l图2 探测器及准直器单体示意图图3 准直器图4H X M T 地面多放射源模拟成像结果、这套装置能够实现高精度成像的关键在于准直器的精度。准直器各栅板之间及各栅板与准直器外部铝桶的母线之间的不平行度均要求小于0
3、 5 。准直器由2 r a m 厚，3 0 0 m m 的锚和0 2 r a m 厚，3 0 0 m m 的钽片构成，应该是一种脆弱结构。二准直器的力学环模实验1 环模指标进行4 个项目实验，下面列出冲击实验和随机振动实验的指标( 取自神州二号) ：( 1 ) 冲击试验频率( H z )1 0 0 8 0 08 0 0 4 0 0 0冲击谱值8d B o c t 8 5 0g加载方向2 个横向及轴向次数磊t 次每方向( 2 )随机振动频率范围( H z )2 0 1 5 03d B o c tl5 0 8 0 00 1 69 2 H z揪8 0 0 2 0 0 0一6d B o c t总均方根
4、值1 3 8 7gr m s加载时间2 分钟每方向加载方向2 个横向及轴向2 环模的结果每个环模项目做完之后，测量准直器的1 4 个几何参数，全部实验之后，准直器的各个几何尺寸的变化小于0 0 1 m m ，在允许的范围之内。三实验结果的讨论以冲击实验为例，讨论实验与理论计算之间的矛盾。1 模拟计算的结果清华大学精密仪器系贾小红副教授，重庆建工学院工程力学系殷学刚教授各自独立的J jA N S Y S 软件包计算了准直器的冲击响应，如图5 。二者的计算分别指出，在1 4 5 9 和1 5 0 9的冲击下，准直器将损坏。g g基05 g 3 曼 癸口7 f j | j ? lj。00 0 100
5、 0 210斑n e ( s e c o n d )图5 正装时，探测器单体所受的轴向一Y 向冲击激励曲线而实验中，冲击的幅值达到1 0 0 0 9 以上的情况下( 冲击实验所达到的冲击幅度超过10 0 0 9 ，大于表中所给的值) ，准直器甚至未发生任何可观测到的形变，出现很大矛盾。、 2 可能的解释模拟计算和实测之间的矛盾非常显著，我们认为这是由于计算中没有考虑到激波的存在；试什的损坏判据过于苛刻；测量方法存在系统误差。以下进行详细分析。2 1 试件中的激波及试件的受力3 9 3 。在冲击试验中，冲击脉冲峰值达到1 0 0 0 9 ，准直器自重2 0 k g ，一般认为，准直器受的冲击力为
6、厂_ 1 0 0 0 9 2 0 k g = 2 0 吨，但准直器并没有损坏。分析其中原因，发现试验中冲击脉冲传播2 0 c m 所用时间为8 0 u s ，其速度为v 。= 2 5 k m s ，对自由固体态的铅，声速为V p b = 9 6 k l h s ，在铅棒中v 。b = 1 2 k m s ( 声学所程明昆教授提供) 。准直器中的铅所受束缚更多，显然用1 2 k m s 估计其速度绝不会高估，故此马赫数M - - - - v 。r O b = 2 5 1 2 = 2 2 ，即马赫数大于I ，出现激波。根据激波的特点可以看出，试件内部受力的部分只集中在激波波阵面之后的一个薄层内，薄
7、层的质量远小于试件总质量，因此实际所受的力应该等于加速度乘以这一薄层的质量，这将大大减少所受的力。激波后面的压力P ( 或密度) 的分布如图6 ，与气态激波相似。把凝聚物的物态方程代替气体的物态方程，求解球对称强爆炸问题( 连续介质力学，朗道，P 5 0 9 ) 可以解出自由固态中压力分布的半高宽6 ，此值可做为冲击试验中波后宽度的上限。对于约束体，由于声速变小，马赫数增加，6 将更小。已有的结果表明6 x ，及x X o 时，岫= o )z ， ：o = 0z ，l 。：o = 0其中u ( x t ) 是在x 点，时刻杆相对于静态位置的偏离，玑是杆中声速，初始位移为集中在x f 一段内的半
8、正弦。只要计算t 毒啦。( x 。t ) 是加速度，如下图。最上图为初始位移，其他为加速度l l ”3 9 7图1 l从图可知，在t L v 。时间段内，算出的加速度的传播和前面所给的实测的加速度传播十分相似。在杆上，受到外力压缩的部分只占杆的长度的一小段，约等于初始位移不为零的那一段的长度，这与激波的情况很相似。2 2 测量方法的系统误差当激波从介质内部传到表面时，速度将有2 倍的跳变( 一维不定常流与冲击波，李维新，、国防：l 二业出版社，第2 8 8 页) 。本实验的实际配置如图示。当冲击从金属试件表面传出时，首先传给粘合胶，再传到电木底座，最后再传给传感器。2 倍的速度跳变产生在固体表
9、面与空气相接的情况。在本试验中是从金属到胶和电木的传递，由于胶的弹性模量远较空气为火，所以从试件到胶的速度跃变应小于2 。但是，由于传感器的质量和尺寸与试件相比小得多。当扰动传到表面时，A 的左边和B 的右边的速度产生2 倍跃变，而A B 之间的物质的速度变化与A B 之外速度的变化严格说不应产生突变，又由于。A B 的尺度远小于A B 之外的尺度，故A B 处速度的变化与2 倍不应相去很远。所以，近似认为传感器的速度近似有2 倍的跃变。加速度是速度差除以时间间隔，冲击传到传感器之前速度为零，传到之后传感器的速度为试件中的速度的2 倍，故而加速度为试件中的2 倍。因此这种测量方法夸大了试件所受
10、的力。试件感器木座胶AB 2 3 试件损坏的判据实测强度远大于理论计算值的问题出现在损坏的判据上，所谓“达到屈服强度则损坏”是指在一个恒定力作用下材料被拉伸到一定形变时产生断裂，表明外力应该做功，且其值须3 9 8大于材料的内聚能，才能引起破坏。冲击力及作用时间A t 对应的功为O 5 ( A t ) 二m ，m 是受力部分的质量，在作用时间A t 很小的情况下，既使厂较大也未必引起破坏。实践表明，试件在随机振动过程中较之在冲击过程中更易损坏。前者的幅值仅为1 3 6 9 ，但持续时间4 分钟，后者的幅度可达1 0 0 0 9 ，但持续时间仅0 1 m s 。这表明t 确实起到关键作用。四关于
11、联结件体的内摩擦闯题联结件的内摩擦是力学计算中的难关。实验中观测到，准直器与振动台面用M 1 0 的螺栓共1 2 个紧紧把牢之后，经过振动，原来像镜面一样光滑的准直器法兰盘的下表面已经被严重划伤，好像被砂纸均匀打磨过，如图1 3 、图1 4 。图1 2 冲击实验试件剖面图，及试件与试件之间和试件与振动台联结部分的放大图图1 3图1 4图13 是图1 2 中的C ，图1 4 中有黑斑的部分是A ，图下部狭窄的弧形亮条是B 。实验后B 依然光亮如初，而A 、C 实验后其表面已损坏。原因何在?1 试件与台面之间有宏观的整体位移紧固不好，这是最容易想到且无需分析的。2 即使紧吲很牢靠，也有摩擦。a )
12、 横振动：设振动是从下层开始。如果二层金属的弹性模量E 和比重e 略有不同，则声速C j = 二不同，即使螺栓把下层的振动无畸变的传到上层，由于上下二层的声速不同，则振动方程一，一c ? 盯、= ，1 ，对于士下二层由于文的不同，每处相对于其静止状态的位移甜( x ，t ) 不同， 对同一处( x 相同) ，；不同，故有微观相对位移内摩擦。b ) 如果上下两廖属性完全一样，也有内摩擦：振动沿螺栓从+ 卜向上传( 图15 右图螺栓内的正弦线所示) ，使得。卜扳的振动相位超前于上板，故、：扳的横振动有相位差。3 9 9例如：螺栓横波波速U 上，传播长度f ，则，= 三甜上由于横波的波速比纵波低约l
13、 倍，故算出的t 较大。若振动频率为v ( H z ) ，则相位差为A 0 = ，2 n v例：上= 2 1 0 5 c mS 一，v = 1 0 0 0 H zA O 口6 1 0 2 _ = ，2 0 0可见，振动频率越高，相位差越大，摩擦越大。ffl专螺栓?7l振动方向图153 摩擦的测量内摩擦系数的准确值对于机械结构的模拟计算有决定性作用。根据以上对内摩擦现象的分析，提出一种测量内摩擦所消耗的能量的方法供参考。如图1 6 ，1 为基座，用比热大丽热传导系数小的物质构成。2 和3 为待测内摩擦的物质构成联结件，2 和3 内部埋入半导体温度传感器。振动过程中测温度，振动结束后，用线切割机床把2 和3 切开，用测量显微镜读出由于摩擦产生的沟的深度、长度和沟的数目。由以上二个结果可估算内摩擦所消耗的能量。振动台图1 6
