整星隔振系統(tǒng)的設(shè)計和試驗研究.pdf

1、如何采用隔振技術(shù)減小發(fā)射時衛(wèi)星所承受環(huán)境載荷,提高衛(wèi)星發(fā)射的可靠性,以搭載更多的儀器設(shè)備,減少成本,降低風(fēng)險,一直是近年來衛(wèi)星設(shè)計研究的目標(biāo)之一。由于航天工程中衛(wèi)星發(fā)射設(shè)計的特殊要求,使得整星隔振系統(tǒng)的研制比一般的隔振設(shè)計有更大的難度,而常規(guī)隔振器(橡膠隔振器、金屬絲網(wǎng)隔振器、金屬繩隔振器等)都不能達到整星隔振的技術(shù)要求,就必須研制出一種新型的隔振系統(tǒng)設(shè)計方案。因為,整星隔振系統(tǒng)要求對縱向和橫向的環(huán)境載荷都具有有效的隔振效果,同時又要滿

2、足衛(wèi)星和運載火箭等多方面的技術(shù)要求,如星箭連接剛度必須滿足星箭系統(tǒng)動力學(xué)特性要求、對隔振系統(tǒng)重量和尺寸的限制、能夠承受發(fā)射時候惡劣的環(huán)境條件和外載荷、高安全系數(shù)和高可靠性要求等。并且,隔振器對衛(wèi)星基頻的影響不能給運載火箭控制系統(tǒng)設(shè)計帶來困難；增加隔振系統(tǒng)后,不能使得衛(wèi)星與整流罩之間產(chǎn)生過大的相對位移,以免碰撞；以及如何解決存在著的整星隔振系統(tǒng)的基頻下降限制與提高縱向隔振性能之間的矛盾,這些使得整星隔振設(shè)計在工程技術(shù)上非常困難。
　

3、　 在總裝備部十五預(yù)研項目基金的大力支持之下,以某型號運載火箭發(fā)射某衛(wèi)星的整星振動控制為背景,本文對整星隔振技術(shù),如整星隔振機理、隔振器設(shè)計、動力學(xué)計算分析方法、優(yōu)化設(shè)計、適配器約束阻尼層的振動抑制、整星隔振樣機的地面性能驗證試驗,以及整星防搖機構(gòu)的設(shè)計和試驗等,進行了系統(tǒng)的研究。本文的主要工作及所得出的結(jié)論如下:
　　 第一章綜述了整星隔振技術(shù)研究的工程背景、科學(xué)意義、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和目前研究中存在的問題以及解決方法。

4、r>　　 第二章論述了整星隔振機理和隔振器設(shè)計方案的研究,進行了二自由度整星隔振系統(tǒng)的設(shè)計及參數(shù)的數(shù)值研究,依照所提出的整星隔振方案及其隔振器的設(shè)計路線,確定了采用整星被動隔振系統(tǒng)方案,即在衛(wèi)星適配器與運載火箭儀器艙的前端框之間均勻輻射式裝配一定數(shù)量的隔振單元,每個隔振單元為帶剪切粘彈性阻尼元件的鈦合金雙環(huán)結(jié)構(gòu)的隔振器。并且完成了隔振器的定型和測試,加工制造了出該隔振系統(tǒng)。再利用有限元法,對安裝隔振裝置后的衛(wèi)星進行環(huán)境振動試驗仿真和星

5、箭耦合系統(tǒng)飛行過程中瞬態(tài)響應(yīng)計算。
　　 第三章詳細給出了整星隔振系統(tǒng)的動力學(xué)分析方法,研究了阻尼材料基本力學(xué)性質(zhì)、隔振器元件剛度和阻尼特性,以及星箭系統(tǒng)飛行過程瞬態(tài)響應(yīng)分析的計算,對星箭耦合載荷分析技術(shù)做了全面的研究,并且建立了這一組完整的計算方法。并且,將小生境混合遺傳算法引入整星隔振系統(tǒng)的動力優(yōu)化設(shè)計中,通過加權(quán)和方法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題,隔振器參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后,在確保衛(wèi)星的動力特性滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的要求下

6、,有效地提高了整星隔振系統(tǒng)橫向和縱向隔振性能,為整星隔振系統(tǒng)的動力優(yōu)化設(shè)計提供了一種新的設(shè)計思路。
　　 第四章進行了約束阻尼適配器振動抑制研究,按照工程中約束阻尼振動被動控制設(shè)計的方法步驟,確定整星隔振系統(tǒng)中適配器約束阻尼層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案,并且進行仿真振動臺試驗的橫向和縱向頻率響應(yīng)分析,與原來沒有約束阻尼層適配器的衛(wèi)星相比較,驗證了適配器約束阻尼被動控制的減振效果。
　　 第五章為驗證整星減振系統(tǒng)的性能展開了整星隔振系

7、統(tǒng)地面演示驗證的試驗研究,振動臺分別對整星施加縱向和橫向的加速度基礎(chǔ)激勵,測量衛(wèi)星上關(guān)鍵位置的加速度響應(yīng),比較減振前后的整星結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)特性的變化,試驗論證了整星隔振器和適配器經(jīng)約束阻尼層處理后對整星隔振的效果和工程上的可行性。
　　 在研究整星隔振過程中發(fā)現(xiàn),整星的搖晃振動模態(tài)和縱向振動模態(tài)密切耦合,根據(jù)整星隔振系統(tǒng)基頻下降的設(shè)計限制,僅采用一般的隔振器,其縱向隔振性能不易滿足設(shè)計指標(biāo)。針對某衛(wèi)星的隔振設(shè)計要求,第六章提出由

8、機械式七連桿防搖機構(gòu)和隔振器組成的整星防搖隔振方案,通過有限元模型的模態(tài)分析和縮比衛(wèi)星模型的性能測試,驗證方案的可行性,即在不提高整星的縱向振動模態(tài)頻率下,提高搖晃振動的模態(tài)頻率。
　　 第七章總結(jié)了本文的研究成果和意義,并展望了整星隔振技術(shù)進一步研究的方向。
　　 特別值得指出的是,本文根據(jù)某具體型號的配重星,在國內(nèi)第一次研制、加工、測試了重量約520公斤的整星隔振樣機。本論文的研究成果(整星隔振器方案、隔振設(shè)計和分析