基于形狀記憶合金的衛(wèi)星整體振動抑制實驗

張　振，方　勃，張業(yè)偉,段　楠

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院),沈陽 110136)

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基于形狀記憶合金的衛(wèi)星整體振動抑制實驗

張振，方勃，張業(yè)偉,段楠

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院),沈陽 110136)

衛(wèi)星在發(fā)射過程中所處的惡劣動力學環(huán)境會增加其失效概率，要保證衛(wèi)星發(fā)射成功，需要盡可能降低傳遞到衛(wèi)星的振動幅值，保證航天器及其元件的可靠性?；谛螤钣洃浐辖?SMA)設(shè)計出了一種安裝在適配器和衛(wèi)星之間的隔振器。分別設(shè)計沒有SMA隔振器和添加SMA隔振器兩種狀況下的整星隔振實驗以檢驗SMA隔振器的隔振效果。對比兩種狀況下的振動幅值響應曲線發(fā)現(xiàn)，SMA隔振器能夠有效地隔離振動，表現(xiàn)為低頻隔振效果不明顯，而高頻段隔振效果好。

形狀記憶合金；整星隔振；SMA隔振器；振動幅值

航天器在發(fā)射過程中，需要承受復雜和惡劣的動力學環(huán)境[1-3]，比如整流罩的氣動噪聲、推進器發(fā)動機振動、火工裝置的爆炸沖擊等。這些動力學環(huán)境引起的振動對航天器及其局部元件有著極大影響。根據(jù)美國 NASA 報道，航天器的發(fā)射失敗大多是由于發(fā)射過程中惡劣的振動環(huán)境造成的航天器及其部分元件可靠性的降低甚至失效。因此對航天器在發(fā)射過程中的振動抑制至關(guān)重要。

1993年CSA公司應美國空軍研究實驗室和美國空間運載部的要求開始對整星系統(tǒng)減振和抗沖進行研究,此后整星隔振技術(shù)開始快速發(fā)展，各種隔振方案不斷被提出[4-7]。Johnson等[8-9]研制了縱向隔振適配器Softride Uniflex，這是一種表面粘貼有約束阻尼結(jié)構(gòu)的鈦金屬材料的彈性元件。Thomas等[10]研制了復合材料隔振器用以控制大軸徑衛(wèi)星的橫縱向剛度比。涂奉臣等[11]提出一種采用磁流變阻尼器的新型整星隔振平臺，并對其做了相關(guān)試驗研究，驗證了其可行性。李明明等[12]采用壓電堆和粘彈性材料作為主被動隔振元件，設(shè)計了一種新型的整星混合隔振系統(tǒng)。反觀已有的整星隔振方案，沒有采用TiNiCu形狀記憶合金材料作為隔振元件的方案。形狀記憶合金(Shape Memory Alloys，即SMA)是一種新型的功能性材料，具有獨特的形狀記憶效應和超彈性特性，可作為作動器材料或阻尼材料用于振動控制中[13-15]。

本文提出了采用TiNiCu形狀記憶合金材料作為隔振元件的整星隔振方案，設(shè)計了SMA整星隔振器，使用振動臺對整形隔振系統(tǒng)進行正弦掃頻實驗，對比有無SMA隔振器狀況下的幅值響應曲線來檢驗SMA整星隔振器的隔振效果。

1　實驗方案

1.1實驗設(shè)備及實驗件

本實驗應用一套專業(yè)的振動實驗設(shè)備來完成，具體設(shè)備如表1所示：

表1　實驗設(shè)備

其中振動臺為航天希爾生產(chǎn)的三綜合振動臺，能夠提供垂向、橫向和縱向等三個方向的振動環(huán)境；控制分析系統(tǒng)為比利時LMS公司研發(fā)的LMS Test.Lab13A軟件，可以提供的振動控制實驗環(huán)境有正弦掃頻、隨機控制、沖擊控制以及組合控制等。

采用TiNiCu形狀記憶合金材料做成的隔振元件均勻地分布在適配器和衛(wèi)星界面之間的連接器上構(gòu)成SMA隔振器，如圖1a所示。粘彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖1b所示，粘彈性阻尼器由兩個金屬肋板和其中間粘貼的粘彈性材料組成。觀察兩種隔振器的結(jié)構(gòu)容易得出，在衛(wèi)星升空過程中，由于縱向過載很大，造成粘彈性材料的破壞，使粘彈性阻尼器失效，會降低隔振器的可靠性，而SMA隔振器采用的形狀記憶合金材料能夠承載更大的縱向載荷且不存在失效的情況，增加了隔振器的可靠性，而且SMA隔振器結(jié)構(gòu)簡單，更易于實現(xiàn)。

1.2實驗原理

本實驗采用的振動控制試驗環(huán)境為正弦掃頻。

圖1　隔振器結(jié)構(gòu)簡圖

實驗中試驗件通過工裝夾具剛性固定在振動臺擴展臺面上。試驗采用兩點平均控制方式進行，控制點均位于試驗件與振動臺擴展臺面(垂向)的連接面上，均粘貼加速度傳感器并聯(lián)接到控制通道上。監(jiān)測點“satellite”位于負載上，粘貼加速度傳感器并聯(lián)接到測試通道上。

圖2　實驗原理框圖

控制信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)功率放大器將信號放大，進而控制振動臺按照特定的功率譜密度進行振動，控制點處的加速度傳感器測得振動臺真實振動環(huán)境并反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)成一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外，在試驗件上安裝加速度傳感器用以測量試驗件的振動情況并獲得所需要的實驗數(shù)據(jù)。實驗原理框圖如圖2所示。

2　實驗結(jié)果分析

圖3　幅值響應曲線

對比圖3中有無SMA整星隔振器狀況下的幅值響應曲線，可以看出，在低頻段，峰值處幅值下降幅度較小，隔振效果并不十分明顯；在中頻段，隔振效果仍舊不明顯，但是共振頻率有著明顯的偏移；高頻段表現(xiàn)出良好的隔振效果并且共振頻率也發(fā)生了小偏移。由幅值變化可見，所設(shè)計的形狀記憶合金(SMA)整星隔振器是有效果的：低頻隔振效果差，這與其被動隔振特性有關(guān)，通常低頻區(qū)的隔振都是通過主動控制實現(xiàn)的；高頻隔振效果好，這充分體現(xiàn)了被動隔振對高頻隔振效果好的特點。由共振峰值的偏移情況可知，添加SMA隔振器對整星系統(tǒng)低頻段的固有頻率沒有影響，但卻略微降低了中高頻段的固有頻率。

3　實驗誤差分析

為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，兩種安裝工況各進行三次掃頻實驗以分析實驗誤差，實驗測得幅值響應曲線如圖4所示。可以看到，兩種工況下三次掃頻實驗的幅值響應曲線的重合度都非常高，因此實驗誤差都可以忽略不計。

圖4　兩種工況下幅值響應曲線

4　結(jié)論

應用形狀記憶合金(SMA)材料設(shè)計出了一種安裝在適配器和衛(wèi)星界面之間的SMA隔振器，相比粘性阻尼隔振器增加了隔振器的可靠性能。設(shè)計了正弦激勵下的整星隔振實驗，獲得沒有SMA隔振器和添加SMA隔振器兩種狀況下的振動幅值響應曲線。對比發(fā)現(xiàn)，SMA隔振器能夠有效地隔離振動，其中，低頻段隔振效果不明顯，高頻段隔振效果好，充分體現(xiàn)了被動隔振的特點。SMA隔振器對整星系統(tǒng)低頻段的固有頻率沒有影響，但略微降低了中高頻段的固有頻率。

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[12]李明明,方勃,黃文虎.基于壓電堆和粘彈性材料的新型整星混合隔振系統(tǒng)[J].振動與沖擊,2012,31(16):148-152.

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(責任編輯：劉劃英文審校：趙歡)

Experiment of whole-spacecraft vibration isolation based on shape memory alloys

ZHANG Zhen，F(xiàn)ANG Bo，ZHANG Ye-wei，DUAN Nan

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The severe dynamic environment during spacecraft launch will increase its failure probability,therefore,for the successful launching of spacecraft,the amplitude of vibration transferred to spacecraft must be decreased so as to ensure the reliability of the satellite and its components.Therefore,a whole-spacecraft vibration isolator was presented which is installed between the adapter and the spacecraft.The major component of the vibration isolator was made up of the shape memory alloys(SMA).The experiment of whole-spacecraft vibration isolation with SMA vibration isolator and without SMA vibration isolator were designed to examine the effects of SMA vibration isolator.By comparing the vibration amplitude response curve of two cases the resnlts show that the SMA vibration isolator can effectively isolate the vibration,characterized by not obvious effect on low frequency vibration isolation and good effect on high frequency vibration isolation.

shape memory alloys；whole-spacecraft vibration isolation；SMA vibration isolator；vibration amplitude

2015-10-28

國家自然科學基金(項目編號：11402151)；遼寧省自然科學基金(項目編號：2015020106；2013024005)

張振(1988-)，男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向：空間飛行器動力學與控制，E-mail：zhangzhen017@126.com;方勃(1964-)男，遼寧沈陽人，教授，主要研究方向：空間飛行器動力學與控制，E-mail：bfang0825@163.com。

2095-1248(2016)04-0009-04

TP391.41

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.04.002