程明 陳照波 楊樹(shù)濤 潘忠文 呂文香
摘要:發(fā)射階段經(jīng)受的惡劣振動(dòng)環(huán)境,往往造成衛(wèi)星發(fā)射失敗。為了改善衛(wèi)星在發(fā)射階段的振動(dòng)環(huán)境,提出了一種基于磁流變技術(shù)的星箭界面半主動(dòng)隔振平臺(tái),用來(lái)替換傳統(tǒng)的用于星箭連接的錐殼適配器。分析了布置參數(shù)、剛度系數(shù)、阻尼特性等主要特性參數(shù)對(duì)隔振平臺(tái)傳遞特性的影響。搭建了星箭界面隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用天棚阻尼控制策略,對(duì)隔振平臺(tái)進(jìn)行半主動(dòng)控制。利用正弦掃頻激勵(lì)完成了模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隔振平臺(tái)原理可行、主要特性參數(shù)可調(diào)、隔振效果良好。
關(guān)鍵詞:半主動(dòng)控制;隔振平臺(tái);星箭界面;磁流變阻尼器
中圖分類(lèi)號(hào):TB535;V414
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1004-4523(2017)01-0086-07
DOI:10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2017.01.012
引言
目前,各類(lèi)人造衛(wèi)星已經(jīng)在通訊、導(dǎo)航、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、測(cè)繪和軍事等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用,人造衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量約占航天器發(fā)射總數(shù)的90%以上。然而,在航天器的整個(gè)壽命周期內(nèi),其在發(fā)射過(guò)程中經(jīng)受的振動(dòng)環(huán)境最為惡劣。惡劣的振動(dòng)環(huán)境往往是造成航天器發(fā)射失敗的主要原因,另一方面,儀器設(shè)備的精密化對(duì)航天器上動(dòng)力學(xué)環(huán)境提出了更高的要求。
傳統(tǒng)星箭連接適配器通常為用蜂窩鋁材料制成的錐殼結(jié)構(gòu),它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),但其剛度通常較大,結(jié)構(gòu)材料的耗能能力微弱,導(dǎo)致錐殼適配器對(duì)衛(wèi)星隔振的效果較差。星箭隔振技術(shù),即在不改變衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的前提下,利用具有隔振性能的適配器替代原有的剛性過(guò)大的錐殼適配器或在原來(lái)的適配器與星箭界面之間加入一套隔振系統(tǒng),減小衛(wèi)星發(fā)射時(shí)所承受的環(huán)境載荷,降低對(duì)衛(wèi)星及其設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能要求。
星箭隔振技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)90年代初,主要集中在航天技術(shù)發(fā)達(dá)的美國(guó)和歐洲等國(guó)家。1997年美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)和CSA工程公司聯(lián)合研制出世界上第一個(gè)星箭被動(dòng)隔振裝置(SoftRide UniFlex)。SoftRide UniFlex是一種軸向隔振裝置,該裝置是由多個(gè)內(nèi)部粘貼有約束層阻尼結(jié)構(gòu)的鈦合金壓力環(huán)組成。這種隔振裝置的優(yōu)點(diǎn)是不改變?cè)羞m配器結(jié)構(gòu),只是在原適配器和衛(wèi)星的連接界面接入隔振裝置,利用約束層阻尼結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的阻尼從而有效抑制軸向諧振頻率的響應(yīng)幅值,達(dá)到軸向隔振目的。在美國(guó)菲利普空軍實(shí)驗(yàn)室(AFPL)的資助下,Wilke等研制出了星箭橫向被動(dòng)有效載荷適配器(IPAF),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該隔振系統(tǒng)對(duì)25~40Hz范圍的橫向振動(dòng)載荷具有很好的抑制作用。但是IPAF比傳統(tǒng)的適配器彎曲剛度低,容易導(dǎo)致衛(wèi)星與整流罩碰撞。2003年Honeywell公司研制出EL-VIS隔振裝置,該裝置由8個(gè)液壓一空氣式作動(dòng)筒和金屬管網(wǎng)組成主被動(dòng)一體化振動(dòng)控制系統(tǒng),對(duì)橫向和縱向振動(dòng)響應(yīng)均具有良好隔振性能,但存在質(zhì)量大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。
磁流變阻尼器是一種用于半主動(dòng)控制的理想元件,具有良好的可控性、可逆性和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。近幾年,關(guān)于磁流變阻尼器應(yīng)用于汽車(chē)懸架、高層建筑以及大型橋梁振動(dòng)控制方面的研究比較廣泛,并取得一些重要的突破,然而,將磁流變阻尼器應(yīng)用于星箭系統(tǒng)進(jìn)行半主動(dòng)隔振的研究不久前才出現(xiàn)。Jean等結(jié)合磁流變阻尼器和Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)搭建了一種星箭隔振平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究取得了不錯(cuò)隔振效果,但研究過(guò)程中并沒(méi)有考慮一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)隔振性能的影響。涂奉臣等將磁流變阻尼器安裝在曲桿固接式隔振平臺(tái)上,通過(guò)模糊最優(yōu)控制策略進(jìn)行控制。王強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一種立方體六軸隔振系統(tǒng),結(jié)構(gòu)上具有一定的解耦優(yōu)勢(shì)。目前,應(yīng)用磁流變阻尼器進(jìn)行半主動(dòng)星箭隔振的研究到實(shí)際應(yīng)用還有一段距離,平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)隔振性能影響以及控制策略的效果和可靠性等還需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。
1.六自由度隔振平臺(tái)
1.1隔振平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)
Stewart機(jī)構(gòu)具有多自由度運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn),并且還能夠與多種形式的主動(dòng)或半主動(dòng)作動(dòng)器件結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或半主動(dòng)的振動(dòng)控制。結(jié)合星箭隔振的技術(shù)要求以及Stewart機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)了一種星箭界面半主動(dòng)隔振平臺(tái),用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐殼適配器。
隔振平臺(tái)(如圖1所示)的上、下平臺(tái)分別與衛(wèi)星支架和基礎(chǔ)相連,負(fù)載用來(lái)模擬衛(wèi)星。為了保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)以及便于裝配時(shí)的精確調(diào)整,將上、下平臺(tái)設(shè)計(jì)為圓環(huán)形。支腿的上、下球鉸不能與平臺(tái)直接連接,需要設(shè)計(jì)一個(gè)球鉸座。將球鉸座設(shè)計(jì)成帶斜面的滑塊狀,通過(guò)調(diào)整球鉸座的安裝方位來(lái)使球鉸滿足運(yùn)動(dòng)范圍限制。
1.2隔振平臺(tái)支腿
完成設(shè)計(jì)的支腿結(jié)構(gòu)如圖2所示,磁流變阻尼器置于彈簧內(nèi),與彈簧并聯(lián)。彈簧選用圓截面螺旋彈簧,置于上、下?lián)醢逯畣?wèn),上擋板通過(guò)軸套與上球鉸相連,下?lián)醢迮c螺桿相連,旋轉(zhuǎn)螺桿可以調(diào)節(jié)整根支腿的長(zhǎng)度。位移傳感器選用LVDT傳感器,本體通過(guò)夾具與上軸套固連,其活動(dòng)桿下端黏接一塊徑向磁鐵,磁鐵吸附在磁流變阻尼器的端面上。拉壓力傳感器與磁流變阻尼器通過(guò)軸套串接。位移傳感器實(shí)測(cè)磁流變阻尼器的位移量,位移信號(hào)傳到控制器進(jìn)行微分處理后得到支腿與上、下平臺(tái)的兩個(gè)連接點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。拉壓力傳感器實(shí)測(cè)磁流變阻尼器的拉壓力,這種集成了拉壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于進(jìn)行多種控制策略的研究與驗(yàn)證。上、下平臺(tái)通過(guò)球鉸與支腿連接。
2.主要特性參數(shù)
星箭界面隔振平臺(tái)的隔振效果,是通過(guò)隔振平臺(tái)的固有頻率的大小,以及上、下平臺(tái)的加速度傳遞率進(jìn)行評(píng)價(jià)。隔振平臺(tái)具有六個(gè)自由度,包括上平臺(tái)的3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng),兩個(gè)橫向方向上的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)振型分別相互耦合。由于星箭界面半主動(dòng)隔振平臺(tái)是關(guān)于中軸線的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),其在兩個(gè)橫向上的振型是一致的。設(shè)計(jì)隔振平臺(tái)的縱向共振頻率為10Hz左右;一階橫向共振頻率為3Hz左右,二階橫向共振頻率為9Hz左右。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)來(lái)改變系統(tǒng)固有特性,實(shí)現(xiàn)上、下平臺(tái)的加速度傳遞率在共振區(qū)被抑制,而在高頻區(qū)不惡化。
主要特性參數(shù)包括球鉸座的安裝位置、彈簧的剛度系數(shù)、以及磁流變阻尼器的阻尼系數(shù),它們的改變對(duì)隔振平臺(tái)的傳遞特性都會(huì)產(chǎn)生影響。
2.1球鉸座安裝位置
球鉸座的安裝位置影響著支腿的空間布局,間接影響著隔振平臺(tái)固有特性,包括固有頻率以及傳遞率。球鉸的安裝位置主要由圓周直徑φ、中心角a兩個(gè)參數(shù)決定,但由于受到其他結(jié)構(gòu)的尺寸限制,直徑φ已經(jīng)確定,安裝在上平臺(tái)上的球鉸座的可調(diào)范圍很小。分析過(guò)程中認(rèn)為安裝在上平臺(tái)上的6個(gè)球鉸座的位置固定,只調(diào)節(jié)下平臺(tái)上的6個(gè)球鉸座的安裝位置。下平臺(tái)上6個(gè)球鉸座中相鄰兩個(gè)之間的中心角為a,6個(gè)球鉸座兩兩關(guān)于下平臺(tái)的軸線對(duì)稱(chēng)布置,如圖3所示。
隨著下平臺(tái)上球鉸座安裝位置的中心角a的增大,隔振平臺(tái)縱向傳遞特性并沒(méi)有發(fā)生多大變化,而對(duì)橫向傳遞特性產(chǎn)生的影響非常顯著。隨著中心角a的增大,橫向一、二階共振頻率減小,一階共振區(qū)的傳遞率下降,二階共振區(qū)的傳遞率有所升高,高頻區(qū)的傳遞率幾乎沒(méi)發(fā)生什么變化。兩個(gè)特殊中心角對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果,縱向傳遞特性如圖4所示,橫向傳遞特性如圖5所示。
衛(wèi)星在發(fā)射階段,受到的各種準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)載荷的激勵(lì)作用主要是沿縱向方向,因此縱向隔振效果是主要考察指標(biāo)。另外,受到縱向隔振效果的限制,隔振平臺(tái)的一階橫向固有頻率較小。增大下平臺(tái)上球鉸座安裝位置的中心角,橫向一階共振區(qū)的加速度傳遞率有所改善,但一階橫向固有頻率卻下降明顯,表明這種情況下隔振平臺(tái)的橫向剛度較小,容易導(dǎo)致隔振平臺(tái)發(fā)生傾覆失穩(wěn)。因此,球鉸安裝位置的確定需要綜合考慮其對(duì)隔振平臺(tái)的傳遞特性以及穩(wěn)定性的影響。
2.2彈簧的剛度系數(shù)
六根支腿都可以進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng),星箭界面隔振平臺(tái)的上平臺(tái)具有六個(gè)自由度,分別為沿三個(gè)方向平動(dòng)以及繞三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。衛(wèi)星通常與適配器是對(duì)中安裝,在衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中,適配器沿橫向方向受到的偏載很小。沿縱向方向上,六根支腿可以當(dāng)作是均勻受力的,上平臺(tái)只進(jìn)行上下平動(dòng),隔振平臺(tái)只表現(xiàn)出一階固有特性;沿橫向方向上,上平臺(tái)既有平動(dòng)也有轉(zhuǎn)動(dòng),表現(xiàn)為二階固有特性。
彈簧的剛度參數(shù)直接影響著隔振平臺(tái)的固有頻率的大小,調(diào)整彈簧的剛度系數(shù),得到縱向傳遞特性如圖6所示,橫向傳遞特性如圖7所示??v向或橫向上,隔振平臺(tái)的固有頻率都是隨著彈簧剛度的增大而增大。當(dāng)彈簧剛度為100N/mm時(shí),仿真得到隔振平臺(tái)的傳遞特性如圖7所示。隔振平臺(tái)的縱向共振頻率為9.11Hz;橫向一階共振頻率為2.34Hz,橫向二階固有頻率為9.12Hz。
2.3磁流變阻尼器的阻尼特性
振動(dòng)系統(tǒng)中的阻尼是通過(guò)機(jī)械能的耗能來(lái)表現(xiàn),阻尼器就是利用阻尼特性來(lái)減小振動(dòng)幅度的裝置。保持其他參數(shù)不變,調(diào)節(jié)隔振平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)的阻尼系數(shù),得到縱向傳遞特性如圖8所示,橫向傳遞特性如圖9所示。
沿縱向方向,隨著阻尼系數(shù)增大,上、下平臺(tái)的加速度傳遞率在共振區(qū)依次減小,但在高頻區(qū)卻逐漸惡化。沿橫向方向,隨著阻尼系數(shù)的增大,上、下平臺(tái)的加速度傳遞率在一階、二階共振區(qū)依次減小,但在一、二階共振區(qū)的中間區(qū)域以及高頻區(qū)卻惡化明顯。
磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低黏度的牛頓流體特性;而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,則呈現(xiàn)出高黏度、低流動(dòng)性的Bingham體特性。磁流變阻尼器(MRD)就是利用磁流變液的磁流變效應(yīng)而設(shè)計(jì)的阻尼耗能裝置。磁流變阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻尼力連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)快、出力大、而且耗能小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的阻尼系數(shù)主要是由磁流變阻尼器的阻尼特性決定,具體表現(xiàn)為與位移、速度、電流相關(guān)的阻尼力大小。星箭界面半主動(dòng)隔振平臺(tái),則是通過(guò)半主動(dòng)控制策略來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的阻尼力大小,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的隔振。
3.星箭界面隔振實(shí)驗(yàn)
3.1半主動(dòng)控制策略
半主動(dòng)隔振實(shí)施控制力的作動(dòng)器只需要少量的能量調(diào)節(jié),便可以盡可能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制力。半主動(dòng)隔振不需要主動(dòng)向結(jié)構(gòu)輸入能量,而是巧妙運(yùn)用外加的可調(diào)阻尼裝置(磁流變阻尼器)以控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)響應(yīng)狀態(tài)的追蹤。半主動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,無(wú)需外界能源驅(qū)動(dòng),易于實(shí)現(xiàn),能夠達(dá)到與主動(dòng)隔振相差不多的控制效果。
天棚阻尼控制算法是經(jīng)典的半主動(dòng)控制算法,常常用于汽車(chē)懸架隔振系統(tǒng),算法思想簡(jiǎn)單,隔振效果往往能達(dá)到期望要求。“假想天棚阻尼模型”(如圖10所示)是假想負(fù)載上方總有一個(gè)固定不動(dòng)的“天棚”,負(fù)載與天棚之間通過(guò)假想阻尼器進(jìn)行連接。
然而在實(shí)際情況中,不可能存在這樣一個(gè)通過(guò)阻尼器與負(fù)載連接的固定不動(dòng)的“天棚”,因此,常常用一個(gè)“實(shí)際磁流變阻尼器模型”(如圖12所示)去實(shí)時(shí)等效“假想天棚阻尼模型”。
基于天棚阻尼半主動(dòng)控制策略,本文是將隔振平臺(tái)這個(gè)六自由度系統(tǒng)看作6個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)控制(不考慮相互影響),分別以六根支腿的運(yùn)動(dòng)情況作為基礎(chǔ),應(yīng)用“天棚阻尼”半主動(dòng)控制策略對(duì)六根支腿進(jìn)行分別控制。
控制過(guò)程中,通過(guò)位移傳感器測(cè)量并進(jìn)行微分運(yùn)算得到磁流變阻尼器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,通過(guò)加速度傳感器測(cè)量及積分運(yùn)算得到阻尼器兩端連接點(diǎn)的絕對(duì)速度,然后運(yùn)用式(5)所示的控制率對(duì)單個(gè)阻尼器的出力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而改變系統(tǒng)的阻尼特性。當(dāng)阻尼力取最大時(shí),通人磁流變阻尼器允許的最大電流;當(dāng)阻尼力取最小時(shí),通入磁流變得電流為0。
3.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建
驗(yàn)證設(shè)計(jì)的星箭隔振平臺(tái)的隔振效果,搭建星箭界面地面實(shí)驗(yàn)隔振平臺(tái),如圖13所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由星箭隔振裝置、激勵(lì)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)三部分組成。星箭隔振系統(tǒng)包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、6根支腿、衛(wèi)星支架和負(fù)載;激勵(lì)系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)和振動(dòng)臺(tái)控制器組成;傳感器、實(shí)驗(yàn)儀器、控制計(jì)算機(jī)、快速原型控制系統(tǒng)和功率放大器等組成了測(cè)控系統(tǒng)。
宿主控制計(jì)算機(jī)將控制程序編譯、下載到目標(biāo)計(jì)算機(jī)中,并控制運(yùn)行。同時(shí)振動(dòng)臺(tái)控制器控制振動(dòng)臺(tái),使其產(chǎn)生所需的激勵(lì),星箭隔振系統(tǒng)開(kāi)始工作并產(chǎn)生響應(yīng)狀態(tài)量。通過(guò)傳感器及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將星箭隔振系統(tǒng)中的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并被目標(biāo)計(jì)算機(jī)的控制程序采集。采集的電信號(hào)經(jīng)過(guò)控制算法演算后得到控制信號(hào),功率放大器驅(qū)動(dòng)并改變MRD動(dòng)力特性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)星箭隔振系統(tǒng)的振動(dòng)控制。
3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
給星箭隔振平臺(tái)的下平臺(tái)施加縱向掃頻激勵(lì),分別測(cè)試在被動(dòng)情況下和在天棚阻尼半主動(dòng)控制情況下的隔振效果,并將半主動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖14所示。沿橫向施加掃頻激勵(lì),得到橫向上對(duì)應(yīng)的結(jié)果如圖15所示。
從圖14可以看出,星箭隔振系統(tǒng)的縱向固有頻率約為9.16Hz,與仿真得到9.11Hz比較接近,隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法合理。由于磁流變阻尼器在工作過(guò)程中提供了一定的附加剛度,隔振系統(tǒng)的實(shí)際固有頻率略有偏大。而在半主動(dòng)控制下,磁流變液在磁場(chǎng)作用下會(huì)呈半固態(tài),磁流變阻尼器會(huì)產(chǎn)生比被動(dòng)下大的附加剛度,隔振系統(tǒng)在半主動(dòng)控制下的固有頻率大于在被動(dòng)下的固有頻率。半主動(dòng)控制的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。
比較天棚阻尼半主動(dòng)控制和被動(dòng)的橫向隔振效果,在低頻區(qū)天棚阻尼半主動(dòng)的隔振效果非常明顯,被動(dòng)情況下的共振峰傳遞率為1.97,天棚阻尼半主動(dòng)控制情況下的共振峰傳遞率為1.35,相對(duì)于被動(dòng)降低31.5%左右。而且,在高頻區(qū)天棚阻尼半主動(dòng)隔振效果沒(méi)有被惡化。半主動(dòng)控制的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。
由于振動(dòng)臺(tái)的限制(起始頻率為5Hz),橫向方向上的一階固有頻率沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái),二階固有頻率為9.6Hz,與仿真得到的9.12Hz接近。在天棚阻尼半主動(dòng)控制的情況下,低頻區(qū)隔振效果較好,高頻區(qū)的隔振效果也沒(méi)有惡化。
4.結(jié)論
基于磁流變阻尼技術(shù)設(shè)計(jì)了星箭界面隔振平臺(tái),分析了主要特性參數(shù)包括球鉸座的安裝位置、剛度系數(shù)、以及阻尼系數(shù)對(duì)隔振平臺(tái)的固有特性的影響:球鉸座的安裝位置對(duì)縱向方向上的傳遞特性影響不明顯,而對(duì)橫向方向上的傳遞特性影響顯著;彈簧的剛度系數(shù)決定著隔振平臺(tái)的固有頻率;阻尼特性對(duì)隔振平臺(tái)的傳遞率的大小影響較大。
搭建了星箭界面隔振實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用天棚阻尼控制策略,實(shí)現(xiàn)了對(duì)平臺(tái)的半主動(dòng)隔振控制。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合,半主動(dòng)隔振的整體效果良好。