衛(wèi)星撓性附件用黏彈性阻尼器試驗(yàn)研究

孔祥森，周 靜，劉興天，申軍烽，周徐斌

（上海衛(wèi)星工程研究所 空間機(jī)熱一體化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109）

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，低剛度的撓性附件如天線、太陽電池陣、空間桁架等作為一類特殊的結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域中正在得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。但這些附件在太空工作時(shí)將不可避免地受到各種內(nèi)部和外界微振動(dòng)的干擾，激起低頻、大幅度、長時(shí)間的振動(dòng)，且由于結(jié)構(gòu)阻尼一般較低，振動(dòng)很難自行衰減。這種振動(dòng)與衛(wèi)星主體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)高度耦合，干擾了姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常工作，給高分辨率衛(wèi)星有效載荷性能的實(shí)現(xiàn)帶來嚴(yán)重影響。著名的哈勃望遠(yuǎn)鏡[2]受冷熱交變激勵(lì)，引起太陽電池陣的低頻共振，造成指向控制系統(tǒng)穩(wěn)定度超差，導(dǎo)致哈勃多數(shù)時(shí)間無法進(jìn)行科學(xué)觀測。近年來，我國遙感衛(wèi)星的高分辨率不斷取得新的突破，星上光學(xué)有效載荷對衛(wèi)星平臺的結(jié)構(gòu)微振動(dòng)水平要求愈加嚴(yán)格。孟光[3]、Liu[4]等對微振動(dòng)控制方法進(jìn)行了綜述，Sun[5]、Kamesh[6]研究了新型的微振動(dòng)隔振系統(tǒng)。采取阻尼器進(jìn)行振動(dòng)抑制是行之有效的手段，而且這些方法廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)的地震隔離[7–9]。

隨著星上力矩陀螺、反作用飛輪等主要擾動(dòng)源的隔振減振研究方法和手段日趨成熟，撓性附件的擾動(dòng)作為新的主要影響因素逐漸變得不容忽視。由于撓性附件在軌振動(dòng)能量較大的低階模態(tài)主要引起撓性附件與星體連接的根部發(fā)生變形，因此，可考慮在根部增加阻尼[10–12]。本文設(shè)計(jì)了一種黏彈性阻尼器，連接在撓性附件根部與星體之間，其不僅可提供較大連接剛度，保證撓性附件與星體之間的連接，還可以通過約束阻尼層結(jié)構(gòu)的剪切壓縮變形耗散機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)對撓性附件低頻振動(dòng)的有效衰減。

1 低頻減振阻尼器設(shè)計(jì)

1.1 阻尼實(shí)現(xiàn)原理

約束阻尼結(jié)構(gòu)，即在原有結(jié)構(gòu)上粘貼黏彈性阻尼材料層和約束層，其阻尼層會隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)發(fā)生周期性拉伸變形，利用阻尼材料內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變之間的相位差耗散結(jié)構(gòu)能量，可達(dá)到減振降噪的目的，故約束阻尼層能有效抑制一定頻寬內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)，進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能。

通常采用結(jié)構(gòu)損耗因子來描述一個(gè)結(jié)構(gòu)損耗振動(dòng)能量的能力。

其中：η表示整個(gè)結(jié)構(gòu)的損耗因子，Eloss表示整個(gè)結(jié)構(gòu)損耗的能量，Eo表示結(jié)構(gòu)振動(dòng)的機(jī)械能。

本文主要通過模態(tài)應(yīng)變能法（MSE）指導(dǎo)阻尼器的設(shè)計(jì)。使用該方法可通過計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)在固有頻率下的損耗因子來描述結(jié)構(gòu)的阻尼性能

其中：ηv是黏彈性材料的損耗因子是第r階陣型中黏彈性材料的彈性應(yīng)變能，此時(shí)將黏彈性材料當(dāng)做剛體計(jì)算，不考慮其阻尼；V(r)是第r階陣型中整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變能。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

阻尼器構(gòu)型如圖1所示，其主要由1個(gè)法蘭盤和4個(gè)1/4約束阻尼層構(gòu)成。

圖1 阻尼器三維圖（1/4約束層隱藏）

其中，法蘭盤的中心軸主要用來承載和傳遞作用力，以保證連接剛度；1/4約束阻尼層分別由內(nèi)約束層、阻尼層、外約束層組成，內(nèi)約束層與法蘭盤一端面固聯(lián)，外約束層與法蘭盤另一端面固聯(lián)，內(nèi)外約束層之間為阻尼層。安裝時(shí)，法蘭盤的一端與撓性附件根部固聯(lián)，另一端與衛(wèi)星主體連接。由撓性附件振動(dòng)引發(fā)的桅桿彎曲和扭轉(zhuǎn)經(jīng)過阻尼器的振動(dòng)衰減，再傳至衛(wèi)星主體。阻尼器的阻尼層受剪切變形耗散能量實(shí)現(xiàn)減振。在滿足撓性附件與衛(wèi)星主體連接剛度的情況下，適當(dāng)減小中心軸的外徑，使更多的模態(tài)應(yīng)變能傳遞到約束阻尼層上，由式（2）可知如此可提高整體結(jié)構(gòu)的阻尼特性。

2 仿真分析

2.1 模態(tài)分析

阻尼器有限元模型如圖4所示。其中，中心軸、法蘭盤、內(nèi)外約束層采用鈦合金，中間的阻尼層采用黏彈性阻尼材料。

圖2 阻尼器有限元模型

系統(tǒng)仿真中，選取太陽帆板作為撓性附件分析，由于衛(wèi)星實(shí)際使用的太陽帆板組成結(jié)構(gòu)和材料特性較為復(fù)雜，且展開尺寸很大，給后續(xù)的試驗(yàn)研究增加難度。因此，本文模擬實(shí)際太陽帆板的低階模態(tài)頻率和振型，設(shè)計(jì)出一塊撓性板代替太陽帆板進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究，并對撓性板進(jìn)行了鏤空設(shè)計(jì)，撓性板結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。固定與其連接的剛性桅桿根部，安有阻尼器的撓性板在0～10 Hz內(nèi)的低階模態(tài)特性如表2所示，對應(yīng)的模態(tài)振型見圖3。

表1 撓性板結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 安有阻尼器且根部固定的撓性板模態(tài)頻率

2.2 振動(dòng)抑制性能分析

圖3 安有阻尼器且桅桿根部固定的撓性板前4階模態(tài)陣型

利用有限元軟件對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻響分析，在材料參數(shù)設(shè)置中對阻尼層的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)分別設(shè)置成0、0.5、1、2。激勵(lì)點(diǎn)為近桅桿根部的1#點(diǎn)，方向?yàn)閦向，其它測點(diǎn)布置以及坐標(biāo)系如圖4所示。不同阻尼參數(shù)條件下z方向（垂直于紙面方向）的頻響曲線見圖5和圖6。

圖4 激勵(lì)點(diǎn)及各測點(diǎn)布置圖

圖5 不同阻尼條件下?lián)闲园鍦y點(diǎn)頻響曲線（測點(diǎn)4/測點(diǎn)1）

由圖5和圖6可見，隨著結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)增大，測點(diǎn)4、測點(diǎn)3相對于測點(diǎn)1的頻響曲線的共振峰均逐漸減小，主頻略向右偏移。在4.4 Hz的共振峰處，減振效果良好；在1.4 Hz的共振峰處，放大比得到一定的降低，當(dāng)阻尼層結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)設(shè)置為2時(shí)，共振放大比降低超過30%。

3 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證阻尼器的減振性能，進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用激振器-阻尼器-撓性板的連接方式，如圖7所示，阻尼器的上端面固定在桁架上，下端面連接撓性板，詳細(xì)連接示意圖見圖8。

圖6 不同阻尼條件下?lián)闲园鍦y點(diǎn)頻響曲線（測點(diǎn)3/測點(diǎn)1）

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置及現(xiàn)場圖

激振器施加0.1 Hz～15 Hz的正弦掃頻激勵(lì)，通過測量輸入（1#測點(diǎn)信號）和輸出（撓性薄板信號，即測點(diǎn)2#、3#、4#、5#信號）的加速度，獲得不同阻尼水平下的共振放大比，其中垂直于撓性板方向?yàn)閦向。試驗(yàn)選用丁基橡膠和2552減振材料（3M）作為阻尼層材料，阻尼層厚度分別選為0.4 mm、0.8 mm，進(jìn)行對比試驗(yàn)分析，兩種阻尼材料的基本屬性如表3所示［13–14］。試驗(yàn)中比較同一阻尼層厚度時(shí)，無阻尼和不同阻尼材料對低頻減振性能的影響；并比較同一阻尼材料時(shí)，無阻尼和不同阻尼層厚度對低頻減振性能的影響。

圖8 阻尼器連接示意圖

表3 兩種阻尼材料阻尼性能

試驗(yàn)結(jié)果如圖9－圖12所示。圖9和圖10為阻尼層厚度均為0.4 mm時(shí)，不同阻尼材料對阻尼器低頻減振效果的影響。從時(shí)域圖可明顯看出，無阻尼時(shí)測點(diǎn)4共振后衰減較為緩慢，采用丁基橡膠和2552減振材料不僅大大減小衰減時(shí)間，還顯著降低共振峰幅值，其中2552減振材料效果更好些。

圖9 不同阻尼材料條件下4#測點(diǎn)實(shí)測時(shí)域響應(yīng)圖

圖10 不同阻尼材料條件下4#、#1實(shí)測頻響曲線

由頻域圖可知，2552減振材料在1.4 Hz處使測點(diǎn)4相對于測點(diǎn)1的共振放大比降低了50%，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的其它共振峰處放大比也減小了；同時(shí)丁基橡膠和2552減振材料使共振峰主頻略向右偏移，其中2552減振材料偏移量較小。因此，作為設(shè)計(jì)采用的阻尼器阻尼層材料，2552減振材料要優(yōu)于丁基橡膠。

圖11 不同阻尼材料條件下3#測點(diǎn)實(shí)測時(shí)域響應(yīng)圖

圖12 不同阻尼材料條件下3#/、#1實(shí)測頻響曲線

圖11和圖12為阻尼層材料均為2552減振材料時(shí)，不同阻尼層厚度對阻尼器低頻減振效果的影響。由測點(diǎn)3的時(shí)域圖和測點(diǎn)3相對于測點(diǎn)1共振放大比頻域圖可知，有阻尼工況的共振衰減時(shí)間比無阻尼工況短、共振放大比降低明顯，但比較阻尼層厚度為0.4 mm和0.8 mm時(shí)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)阻尼層的厚度改變對阻尼器的低頻減振效果基本無影響。因此，阻尼存在可使阻尼器對結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)起到抑制作用，而增加約束阻尼層中阻尼材料的厚度并不能進(jìn)一步提高阻尼器的阻尼特性。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了連接在撓性附件根部和星體之間的黏彈性阻尼器，并對其進(jìn)行了相關(guān)仿真分析和試驗(yàn)研究。通過本文研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用在衛(wèi)星撓性附件根部和平臺之間串聯(lián)黏彈性阻尼器的被動(dòng)振動(dòng)抑制的方法是有效的，能夠保持連接剛度并加快撓性附件的衰減速度；

（2）所研究的兩種黏彈性阻尼材料中，2552減振材料可以將低頻1.4 Hz處的共振峰抑制能力提升50%以上，是減振材料中較好的選擇；

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定厚度范圍內(nèi)，增加阻尼層厚度不能提升低頻振動(dòng)衰減效果；

（4）所設(shè)計(jì)的阻尼器可有效提升撓性附件和星體連接系統(tǒng)的阻尼水平，實(shí)現(xiàn)撓性附件低頻振動(dòng)的抑制，從而提高衛(wèi)星的高精度姿態(tài)控制能力，對衛(wèi)星在軌振動(dòng)控制具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。