衛(wèi)星對(duì)接環(huán)減振裝置設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

東巳宙，白照廣，白云鶴，楊新峰，單悌磊，王玉帥，常 靜

(1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094；2.之江實(shí)驗(yàn)室，杭州 311101；3.中北大學(xué)，太原 038507)

0 引 言

衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程所經(jīng)歷的環(huán)境極其復(fù)雜，其中包含了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、關(guān)機(jī)、級(jí)間分離造成的低頻瞬態(tài)環(huán)境，火工品爆炸產(chǎn)生的高頻瞬態(tài)環(huán)境，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和飛行產(chǎn)生的噪聲環(huán)境[1-2]。為了改善衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程的力學(xué)環(huán)境，降低衛(wèi)星設(shè)計(jì)成本，往往需要設(shè)計(jì)主動(dòng)或被動(dòng)減振裝置。而在整星減振裝置中被動(dòng)減振裝置以其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、星箭系統(tǒng)無(wú)需適應(yīng)性改動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛研究。

美國(guó)MoogCSA工程公司對(duì)減振裝置進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)研究，研制了一系列減振裝置。首先研制出了SoftRide UniFlex被動(dòng)減振裝置[3-4]，該裝置安裝于運(yùn)載適配器上端，由壓力環(huán)組成，通過(guò)在壓力環(huán)內(nèi)部粘貼阻尼材料來(lái)抑制系統(tǒng)的軸向低頻振動(dòng)響應(yīng)幅值，但這種減振裝置無(wú)法同時(shí)抑制軸向和橫向過(guò)載；隨后研制出了同時(shí)可以抑制橫向和軸向過(guò)載的SoftRide MultiFlex減振裝置[5-6]，該裝置同樣位于衛(wèi)星與適配器連接面之間，通過(guò)兩個(gè)SoftRide UniFlex抑制軸向響應(yīng)傳遞，利用中間支柱的彎曲變形抑制橫向響應(yīng)傳遞，但該裝置尺寸較大，降低了運(yùn)載火箭空間利用率，這一缺陷存在于多種衛(wèi)星減振裝置中，如文獻(xiàn)[7]中的三軸被動(dòng)減振裝置、文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)的用于飛輪的減振裝置、文獻(xiàn)[9-11]設(shè)計(jì)的以?xún)蓚€(gè)壓力環(huán)和一個(gè)連接桿(壓力環(huán)內(nèi)部有增加結(jié)構(gòu)阻尼的PCLD)組成的減振裝置、文獻(xiàn)[12]基于VCM設(shè)計(jì)的一種航天器減振系統(tǒng)、文獻(xiàn)[13]采用金屬橡膠材料設(shè)計(jì)的MR減振結(jié)構(gòu)、文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)的圓盤(pán)隔振器；此外，CAS公司還研制出了SoftRide Shocking減振裝置[15-16]，該裝置為圓環(huán)形，通過(guò)自身高彈性能對(duì)高頻振動(dòng)進(jìn)行抑制。美國(guó)ATA公司研制出了一種圓盒型減振裝置[17-18]，該裝置安裝于運(yùn)載適配器上端面，利用粘彈性材料的軸向變形增加能量耗散，降低系統(tǒng)的軸向低頻響應(yīng)，但對(duì)系統(tǒng)的橫向響應(yīng)沒(méi)有抑制效果。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[19]及文獻(xiàn)[20]均通過(guò)改進(jìn)運(yùn)載適配器，構(gòu)建了并聯(lián)式承載減振適配器，其在適配器上增加了8個(gè)均布的油缸-活塞式黏性阻尼器，使得衛(wèi)星-適配器系統(tǒng)在軸向與橫向?qū)Φ皖l振動(dòng)減振效率達(dá)30%以上，由于阻尼器質(zhì)量較大進(jìn)而使得該裝置極大降低了運(yùn)載搭載能力，這一缺陷同樣體現(xiàn)在文獻(xiàn)[21]所設(shè)計(jì)的黏彈性阻尼器中。文獻(xiàn)[22-23]以形狀記憶合金材料為基礎(chǔ)構(gòu)建了被動(dòng)減振裝置，并將其均布于衛(wèi)星與適配器的連接界面，這種減振單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單質(zhì)量小，比較容易實(shí)現(xiàn)，但其只對(duì)高頻振動(dòng)抑制效果較好，對(duì)于中低頻的抑制效果比較差。文獻(xiàn)[24]設(shè)計(jì)了一種基于磁懸浮技術(shù)的減振平臺(tái)，基于電流線(xiàn)圈之間的相互作用力進(jìn)行減振，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了減振平臺(tái)的有效性，該減振設(shè)計(jì)對(duì)高精度載荷在軌應(yīng)用具有明顯效果，但該裝置需要外界提供能源且其在大量級(jí)外載荷下的減振性能未得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一種帶有磁流變阻尼器的六自由度減振平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證，該減振系統(tǒng)相對(duì)原適配器具有更好的減振效果，由于該裝置用于衛(wèi)星與運(yùn)載適配器之間的過(guò)渡段連接，需要對(duì)運(yùn)載適配器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，不具通用性。文獻(xiàn)[26]設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)減振器，將柔性壓電傳感器和作動(dòng)器連接在適配器表面，通過(guò)設(shè)置輸入信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)控制，試驗(yàn)表明控制方式為負(fù)速度反饋控制時(shí)，振動(dòng)抑制效果明顯，然而運(yùn)載主動(dòng)段環(huán)境較為復(fù)雜，尤其隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境的非均勻性對(duì)該裝置的反饋控制要求更高，因此該裝置的實(shí)用性還需進(jìn)一步研究。

綜上所述，衛(wèi)星減振裝置設(shè)計(jì)始終圍繞與衛(wèi)星連接的適配器展開(kāi)，而不同的運(yùn)載火箭采用的適配器也往往不同，星箭界面的力學(xué)環(huán)境差異較大，這就使得相同平臺(tái)的衛(wèi)星在不修改設(shè)計(jì)的情況下難以滿(mǎn)足多種運(yùn)載的力學(xué)環(huán)境。此外，若以適配器為載體進(jìn)行減振裝置設(shè)計(jì)，必須結(jié)合衛(wèi)星設(shè)計(jì)同步開(kāi)展，反復(fù)迭代計(jì)算，在減振效率驗(yàn)證環(huán)節(jié)，也必須依托衛(wèi)星產(chǎn)品開(kāi)展，這種模式導(dǎo)致設(shè)計(jì)的減振裝置不能同時(shí)滿(mǎn)足多種衛(wèi)星的減振需求，難以適應(yīng)衛(wèi)星平臺(tái)通用性的發(fā)展。

為了解決相同平臺(tái)衛(wèi)星不能滿(mǎn)足多種運(yùn)載力學(xué)環(huán)境的問(wèn)題,本文擬從衛(wèi)星自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，以對(duì)接環(huán)為減振裝置設(shè)計(jì)的載體，結(jié)合金屬橡膠的大剛度、高阻尼、抗腐蝕特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種集連接、減振一體的對(duì)接環(huán)減振裝置，以使衛(wèi)星在低頻(5～100 Hz)正弦振動(dòng)中，響應(yīng)峰值抑制率≥40%，在中高頻(20～2000 Hz)隨機(jī)振動(dòng)中，響應(yīng)均方根值抑制率≥45%。

1 對(duì)接環(huán)減振裝置設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

對(duì)接環(huán)位于衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)底部，與運(yùn)載適配器通過(guò)“包帶”進(jìn)行連接，如圖1所示，因此在進(jìn)行對(duì)接環(huán)減振裝置設(shè)計(jì)時(shí)，要使該系統(tǒng)兼具兩個(gè)功能：1)具有替代原對(duì)接環(huán)進(jìn)行承載及對(duì)接運(yùn)載適配器的能力；2)改善運(yùn)載在主動(dòng)段傳遞至衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。

圖1 適配器-對(duì)接環(huán)-衛(wèi)星系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system composed of adapter,docking ring and satellite

對(duì)接環(huán)減振裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)基于對(duì)現(xiàn)有對(duì)接環(huán)的充分分析，現(xiàn)有常用對(duì)接環(huán)如圖2所示，其上環(huán)與衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)通過(guò)螺釘進(jìn)行連接，下環(huán)外翻邊與運(yùn)載適配器通過(guò)包帶進(jìn)行連接，腹板及筋起到承載與傳力作用。因此在對(duì)對(duì)接環(huán)減振裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保持上環(huán)及下環(huán)不變，將二者中部的腹板及筋設(shè)計(jì)為兼具承載與減振功能的裝置。

圖2 對(duì)接環(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the docking ring

1.1 對(duì)接環(huán)減振裝置設(shè)計(jì)

本文主要采用金屬橡膠材料制成減振單元承擔(dān)承載與減振的功能，將減振單元布置于對(duì)接環(huán)減振裝置上，有兩種針對(duì)性設(shè)計(jì)方式，即橫向布置、縱向布置，如圖3所示。

圖3 減振單元布置示意圖Fig.3 Layout diagram of the damping unit

橫向布置則是將對(duì)接環(huán)進(jìn)行拆分，將腹板作為運(yùn)動(dòng)件，同時(shí)在對(duì)接環(huán)下環(huán)設(shè)置兩個(gè)約束件，通過(guò)腹板運(yùn)動(dòng)使金屬橡膠塊產(chǎn)生變形?？v向布置則是將腹板所在的空間重新設(shè)計(jì)，通過(guò)建立與上環(huán)固結(jié)的運(yùn)動(dòng)件、與下環(huán)固結(jié)的約束件，使金屬橡膠塊產(chǎn)生變形。

采用圖3中基于減振單元設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置需要對(duì)原對(duì)接環(huán)進(jìn)行較大修改，尤其增加的約束件、運(yùn)動(dòng)件會(huì)極大增加對(duì)接環(huán)減振裝置的質(zhì)量，而且加工及裝配工藝復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用。因此本文結(jié)合減振單元的工作原理，設(shè)計(jì)了獨(dú)立模塊阻尼器，如圖4所示。

圖4 阻尼器示意圖Fig.4 Schematic diagram of the damper

阻尼器主要由運(yùn)動(dòng)軸、金屬橡膠塊、外殼組成，運(yùn)動(dòng)軸與對(duì)接環(huán)減振裝置上環(huán)通過(guò)螺釘連接，阻尼器下部的螺釘及螺母部分與減振裝置下環(huán)連接。當(dāng)對(duì)接環(huán)減振裝置上環(huán)與下環(huán)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼器的運(yùn)動(dòng)軸將會(huì)進(jìn)行受迫運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使得金屬橡膠塊進(jìn)行受迫運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，金屬橡膠材料通過(guò)自身變形及金屬絲之間的擠壓和摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行耗散，進(jìn)而達(dá)到減振效果。

結(jié)合該阻尼器設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置如圖5所示，上環(huán)與衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)連接，下環(huán)通過(guò)解鎖分離機(jī)構(gòu)與適配器相連。由于質(zhì)量在1000 kg以下的衛(wèi)星在運(yùn)載主動(dòng)段受到的環(huán)境激勵(lì)以基礎(chǔ)傳遞為主，因此，本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置承載能力不低于1000 kg，為此，本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置中阻尼器共計(jì)31個(gè)，并聯(lián)且近似均勻分布于上環(huán)與下環(huán)中間。

圖5 對(duì)接環(huán)減振裝置組成示意圖Fig.5 Structure of the docking ring damping device

1.2 動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

衛(wèi)星與對(duì)接環(huán)減振裝置共同組成振動(dòng)系統(tǒng)，由于單個(gè)阻尼器的剛度遠(yuǎn)低于整星剛度，因此可以將衛(wèi)星簡(jiǎn)化為剛體，通過(guò)關(guān)注剛體質(zhì)心的縱向與橫向振動(dòng)即可完成對(duì)接環(huán)減振裝置動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算。將阻尼器簡(jiǎn)化成具有一定剛度和阻尼的單元，則衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)的二自由度理論模型如圖6所示，其中衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)指衛(wèi)星與對(duì)接環(huán)減振裝置構(gòu)成的組合體(簡(jiǎn)稱(chēng)減振系統(tǒng))。

圖6 衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified model of the system composed of a satellite and a docking ring damping device

由于整個(gè)系統(tǒng)最終通過(guò)基礎(chǔ)激勵(lì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，因此，衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)的受迫運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為基礎(chǔ)激勵(lì)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，其動(dòng)力學(xué)方程如式(1)所示。

(1)

式中：s表示衛(wèi)星質(zhì)心在YZ平面的投影點(diǎn)在縱向Z的位移；θ表示對(duì)接環(huán)上環(huán)平面的俯仰角；m表示衛(wèi)星及對(duì)接環(huán)上環(huán)的總質(zhì)量；I表示衛(wèi)星及對(duì)接環(huán)上環(huán)質(zhì)量在質(zhì)心投影點(diǎn)處沿Y軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ci表示第i個(gè)阻尼器阻尼；ki表示第i個(gè)阻尼器剛度；ri表示第i個(gè)阻尼器與衛(wèi)星質(zhì)心投影點(diǎn)的橫向距離。

當(dāng)衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)受到基礎(chǔ)位移激勵(lì)y，橫向擺動(dòng)激勵(lì)θy，則根據(jù)牛頓第二定律可得：

(2)

則衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)的受迫運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

式(3)即為所構(gòu)建的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)受迫運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)源，如正弦振動(dòng)基礎(chǔ)激勵(lì)、隨機(jī)振動(dòng)基礎(chǔ)激勵(lì)等，求解式(3)得到系統(tǒng)的響應(yīng)及剛度。

2 對(duì)接環(huán)減振裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置減振效果及承載能力進(jìn)行驗(yàn)證，本文分別對(duì)衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)(衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)指衛(wèi)星與原始對(duì)接環(huán)構(gòu)成的組合體，簡(jiǎn)稱(chēng)原系統(tǒng))、衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)分別進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中衛(wèi)星采用質(zhì)量為1106 kg的模擬驗(yàn)證星，所施加的試驗(yàn)條件為CZ-4C、CZ-2D/2C等運(yùn)載的驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)條件包絡(luò)結(jié)果。此外，在驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)前后對(duì)衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)進(jìn)行掃頻試驗(yàn)，通過(guò)掃頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比對(duì)驗(yàn)證對(duì)接環(huán)減振裝置的承載能力。

衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)、衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)分別通過(guò)轉(zhuǎn)接工裝板與振動(dòng)臺(tái)連接，如圖7所示。在兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，采集圖中所示3個(gè)位置的加速度信號(hào)，用于驗(yàn)證對(duì)接環(huán)減振裝置的減振效果。由于模擬星、原始對(duì)接環(huán)、對(duì)接環(huán)減振裝置在兩個(gè)橫向方向(X/Y向)上近似對(duì)稱(chēng)分布，因此通過(guò)橫向(X向)與縱向(Z向)兩個(gè)方向激勵(lì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 對(duì)接環(huán)減振裝置振動(dòng)響應(yīng)抑制率驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.7 Verification tests of vibration response suppression rate of a docking ring damping device

2.1 正弦振動(dòng)試驗(yàn)

按照表1所示衛(wèi)星驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件分別對(duì)衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)、衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)施加基礎(chǔ)激勵(lì)，得到衛(wèi)星三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)響應(yīng)抑制率及頻率漂移率統(tǒng)計(jì)表，如表2所示。由于兩個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)在正弦振動(dòng)試驗(yàn)中獲取的三個(gè)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)曲線(xiàn)形式一致，下面選取測(cè)點(diǎn)A1展示其在橫向及縱向激勵(lì)下的響應(yīng)曲線(xiàn)特征，并將A2、A3測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)峰值特征展示在A(yíng)1測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)圖中，如圖8所示。

表1 衛(wèi)星驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件Table 1 The sinusoidal vibration test conditions of satellite acceptance level

表2 正弦振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)抑制率及基頻漂移率統(tǒng)計(jì)表Table 2 The statistical table of response suppression efficiency and fundamental frequency drift rate measuring points in sinusoidal vibration test

圖8 正弦振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比Fig.8 Comparison of the response curves of measuring points in sinusoidal vibration test

由圖8中曲線(xiàn)及表2中數(shù)據(jù)可以看出：

1)對(duì)接環(huán)減振裝置在正弦基礎(chǔ)激勵(lì)試驗(yàn)中能有效抑制振動(dòng)響應(yīng)，橫向振動(dòng)響應(yīng)抑制率≥44.9%，縱向振動(dòng)響應(yīng)抑制率≥70.5%；

2)衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)橫向基頻16 Hz，縱向基頻44 Hz，相對(duì)于衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)，橫向固有頻率下降54.3%，縱向固有頻率下降51.1%；

3)橫向激勵(lì)時(shí)，衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)與衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)傳遞規(guī)律一致，隨著測(cè)點(diǎn)位置升高，響應(yīng)逐漸增大，縱向激勵(lì)時(shí)，隨著測(cè)點(diǎn)位置升高，響應(yīng)沒(méi)有明顯變化，基本保持一致。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

按照表3所示衛(wèi)星驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件分別對(duì)衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)、衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)施加基礎(chǔ)激勵(lì)，得到衛(wèi)星三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的響應(yīng)均方根值與基頻對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值抑制率及頻率漂移率統(tǒng)計(jì)表，如表4所示。由于兩個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中獲取的三個(gè)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)形式一致，下面選取測(cè)點(diǎn)A1展示其在橫向及縱向激勵(lì)下的響應(yīng)曲線(xiàn)特征，并將A2、A3測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)均方根值及峰值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果展示在A(yíng)1測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)圖中，如圖9所示。

表3 衛(wèi)星驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

圖9 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比Fig.9 The comparison of response curves of measuring points in random vibration test

表4 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)抑制效率及頻率漂移率統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistic data of response suppression efficiency and fundamental frequency drift rate measuring points in random vibration tests

由圖9中曲線(xiàn)及表4中數(shù)據(jù)可以看出：

1) 對(duì)接環(huán)減振裝置在隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)試驗(yàn)中能有效抑制振動(dòng)響應(yīng)，從響應(yīng)幅值到響應(yīng)總能量均有明顯抑制效果，橫向振動(dòng)響應(yīng)峰值抑制率≥78.8%、均方根值抑制率≥70.9%，縱向振動(dòng)響應(yīng)峰值抑制率≥81.5%、均方根值抑制率≥54.7%；

2) 衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)橫向基頻17 Hz，縱向基頻40 Hz，相對(duì)于衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)，橫向固有頻率下降45%，縱向固有頻率下降52%；

3) 衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)與衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)在橫向隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)試驗(yàn)中，垂直于激勵(lì)方向結(jié)構(gòu)板上測(cè)點(diǎn)A2響應(yīng)均大于其他位置測(cè)點(diǎn)響應(yīng)；

4) 在縱向隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)試驗(yàn)中，衛(wèi)星-原始對(duì)接環(huán)系統(tǒng)頂板A1測(cè)點(diǎn)響應(yīng)均方根值大于其他位置測(cè)點(diǎn)，但衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)各位置測(cè)點(diǎn)響應(yīng)均方根值沒(méi)有隨位置變化產(chǎn)生明顯差異。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證減振效果分析

為了對(duì)對(duì)接環(huán)減振裝置的減振效果進(jìn)行更加全面系統(tǒng)分析，下面將衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)在正弦基礎(chǔ)激勵(lì)與隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)下，響應(yīng)衰減率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表5所示數(shù)據(jù)。

表5 對(duì)接環(huán)減振裝置振動(dòng)響應(yīng)抑制效率統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistic data of suppression efficiency of a docking ring damping device on vibration response

由上表可以看出：

1)衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)對(duì)于低頻(5～100 Hz)正弦振動(dòng)、中高頻(15～2000 Hz)隨機(jī)振動(dòng)均有明顯減振效果，振動(dòng)響應(yīng)抑制率均在44.9%以上；

2)對(duì)接環(huán)減振裝置在橫向減振中，對(duì)于低頻正弦振動(dòng)響應(yīng)峰值的抑制率要遠(yuǎn)低于中高頻隨機(jī)振動(dòng)對(duì)于均方根值的抑制率；

3)對(duì)接環(huán)減振裝置在縱向振動(dòng)試驗(yàn)中，對(duì)于低頻正弦振動(dòng)響應(yīng)的平均抑制率要高于中高頻隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)均方根值抑制率；

4)在低頻正弦振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證中系統(tǒng)基頻對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值抑制率要高于中高頻隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，且橫向振動(dòng)試驗(yàn)中效果最為明顯。

綜合上述分析可以看出，本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置對(duì)于低頻正弦振動(dòng)與中高頻隨機(jī)振動(dòng)的減振效果有所不同，這主要是由于金屬橡膠塊在試驗(yàn)中起到的作用不同。在正弦振動(dòng)試驗(yàn)中，金屬橡膠塊沒(méi)有對(duì)輸入能量進(jìn)行損耗，體現(xiàn)在響應(yīng)量級(jí)上則是測(cè)點(diǎn)響應(yīng)峰值均大于輸入條件量級(jí)，但由于對(duì)接環(huán)減振裝置形成的響應(yīng)放大系數(shù)遠(yuǎn)小于原始對(duì)接環(huán)，因此在兩個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)比對(duì)中，呈現(xiàn)出了極大的衰減率。在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，金屬橡膠塊對(duì)輸入能量進(jìn)行了損耗，體現(xiàn)在響應(yīng)量級(jí)上則是測(cè)點(diǎn)響應(yīng)均方根值均小于輸入條件量級(jí)，因此，在兩個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)比中，響應(yīng)峰值及均方根值均呈現(xiàn)出很好的抑制效果。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證承載能力分析

為了對(duì)對(duì)接環(huán)減振裝置的承載能力進(jìn)行驗(yàn)證，在每次驗(yàn)收級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)前后均進(jìn)行特征級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)施加條件如表6所示。獲取了衛(wèi)星三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的響應(yīng)對(duì)比關(guān)系曲線(xiàn)及基頻漂移率統(tǒng)計(jì)表，如表7所示。由于在兩次特征級(jí)試驗(yàn)中獲取的三個(gè)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)吻合較好，且三個(gè)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)形式一致，下面僅選取測(cè)點(diǎn)A1展示其在橫向及縱向激勵(lì)下的兩次特征級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比，如圖10所示。

表6 特征級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

由圖10中曲線(xiàn)及表7中數(shù)據(jù)可以看出：衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)在經(jīng)歷驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)后，橫向及縱向一階固有頻率漂移率均在6%以?xún)?nèi)，衛(wèi)星在驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前后的三次特征級(jí)試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)吻合較好，因此，可以認(rèn)為本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置具備承載1106 kg負(fù)載的能力。

表7 衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)基頻統(tǒng)計(jì)表Table 7 Statistic data of fundamental frequency of the system composed of satellite and docking ring damping device

圖10 特征級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比Fig.10 Comparison of the response curves of characteristic level vibration tests

3 對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型構(gòu)建與分析

本文設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置對(duì)于改善衛(wèi)星在運(yùn)載主動(dòng)段的力學(xué)環(huán)境具有明顯的作用，因此對(duì)該對(duì)接環(huán)減振裝置的力學(xué)特性進(jìn)行充分且深入的研究具有十分重要的意義。若以力學(xué)試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行研究所需成本巨大，因此通過(guò)建立準(zhǔn)確的對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型，對(duì)其進(jìn)行充分分析則具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。下面將基于對(duì)衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)的深入分析構(gòu)建其有限元模型，并通過(guò)與本文動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，以驗(yàn)證本文所構(gòu)建對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型的工程可應(yīng)用性，為后續(xù)該減振裝置的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.1 有限元模型構(gòu)建

衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)有限元模型可以分為模擬驗(yàn)證星、對(duì)接環(huán)減振裝置兩部分。模擬驗(yàn)證星有限元模型如圖11所示。

圖11 模擬驗(yàn)證星有限元模型Fig.11 A finite element model of a satellite for simulation verification

參照對(duì)接環(huán)減振裝置的組成，其有限元模型也可分為上環(huán)、下環(huán)、阻尼器三部分，如圖12所示。上環(huán)與下環(huán)有限元模型采取抽中面的方式簡(jiǎn)化。阻尼器按照其組成劃分為三部分，包括運(yùn)動(dòng)軸、金屬橡膠塊、外殼，各組成部分均按照實(shí)體單元模型構(gòu)建，運(yùn)動(dòng)軸與上環(huán)、阻尼器外殼與下環(huán)均通過(guò)MPC進(jìn)行連接，金屬橡膠塊與運(yùn)動(dòng)軸、外殼之間建立接觸對(duì)，金屬橡膠塊與外殼建立膠接。

圖12 對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型Fig.12 The finite element model of docking ring damping device

衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)各組成部分采用的材料及其屬性如表8所示，其中模擬星采用結(jié)構(gòu)鋼材料，對(duì)接環(huán)減振裝置上環(huán)與下環(huán)均采用鋁合金，金屬橡膠塊簡(jiǎn)化為各向同性大阻尼材料。

表8 衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)材料參數(shù)Table 8 Material parameters of the system composed of satellite and docking ring damping device

3.2 模態(tài)分析

衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)的模態(tài)是衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到該系統(tǒng)在三個(gè)主振方向的固有頻率，對(duì)比衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)在正弦與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中提取的固有頻率，得到表9所示數(shù)據(jù)。

表9 衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)固有頻率統(tǒng)計(jì)表Table 9 Statistic data of natural frequency of the system composed of satellite and docking ring damping device

由上表可以看出，模態(tài)分析得到的系統(tǒng)固有頻率與試驗(yàn)提取結(jié)果對(duì)比，誤差均在10%以?xún)?nèi)，誤差小于工程應(yīng)用誤差15%。此外，系統(tǒng)橫向兩個(gè)方向基頻近似相等，由此可以說(shuō)明模擬星與對(duì)接環(huán)減振裝置構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)在兩個(gè)橫向方向(X/Y向)上動(dòng)力學(xué)特性相近。

3.3 正弦振動(dòng)響應(yīng)分析

下文將對(duì)有限元模型進(jìn)行正弦振動(dòng)響應(yīng)分析，驗(yàn)證衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)在低頻動(dòng)力學(xué)分析中的精確性。按照表1所示試驗(yàn)條件對(duì)有限元模型施加基礎(chǔ)激勵(lì)，分析采用模態(tài)疊加法，橫向激勵(lì)時(shí)全頻段設(shè)定恒定阻尼比9.51%，縱向激勵(lì)時(shí)全頻段設(shè)定恒定阻尼比14.17%，提取與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置一致的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，并將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到表10中響應(yīng)峰值差值比統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由于通過(guò)試驗(yàn)及仿真計(jì)算獲取的三個(gè)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)形式一致，下面以測(cè)點(diǎn)A1為例展示其在橫向及縱向激勵(lì)下的仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果，如圖13所示。

表10 正弦基礎(chǔ)激勵(lì)下試驗(yàn)與計(jì)算響應(yīng)峰值差值比統(tǒng)計(jì)表Table 10 Statistic data of response peak value difference ratio obtained from test and calculation under sinusoidal basic excitation

由圖13中曲線(xiàn)及表11中數(shù)據(jù)可以看出：

圖13 正弦基礎(chǔ)激勵(lì)下試驗(yàn)與仿真計(jì)算對(duì)比曲線(xiàn)Fig.13 The comparison curves of tests and simulation calculation under sinusoidal foundation excitation

1)橫向與縱向激勵(lì)中，系統(tǒng)主頻處響應(yīng)曲線(xiàn)吻合較好，主要是由于響應(yīng)計(jì)算采用模態(tài)疊加法，因而仿真計(jì)算得到的響應(yīng)峰值頻率與模態(tài)分析結(jié)果一致；

2)通過(guò)正弦振動(dòng)基礎(chǔ)激勵(lì)分析得到的響應(yīng)峰值與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，差值比均在7%以?xún)?nèi)，差值比小于工程應(yīng)用誤差15%，由此可以說(shuō)明建立的對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型能夠在正弦振動(dòng)響應(yīng)分析中開(kāi)展應(yīng)用；

3)橫向響應(yīng)分析誤差相對(duì)縱向結(jié)果較?。?/p>

4)橫向激勵(lì)時(shí)，相對(duì)位置高的測(cè)點(diǎn)響應(yīng)分析誤差大于位置低的測(cè)點(diǎn)；

5)縱向激勵(lì)時(shí)，相對(duì)位置高的測(cè)點(diǎn)響應(yīng)分析誤差小于位置低的測(cè)點(diǎn)。

3.4 隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析

下文將通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析驗(yàn)證衛(wèi)星-對(duì)接環(huán)減振系統(tǒng)在中高頻動(dòng)力學(xué)分析中的準(zhǔn)確性。按照表3所示試驗(yàn)條件對(duì)有限元模型施加基礎(chǔ)激勵(lì)，橫向及縱向激勵(lì)時(shí)，阻尼ζ分別按照連續(xù)阻尼ζ=0.14e-0.015f,ζ=0.1057e-0.00417f進(jìn)行設(shè)置，提取與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置一致的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，并將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到表11基頻對(duì)應(yīng)峰值及響應(yīng)均方根值差值比統(tǒng)計(jì)表。由于通過(guò)試驗(yàn)及仿真計(jì)算獲取的三個(gè)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線(xiàn)形式一致，下面以測(cè)點(diǎn)A1為例展示其在橫向及縱向激勵(lì)下的仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果，如圖14所示。

表11 隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)下試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 11 Statistic data of results obtained by the test and simulation calculation under random foundation excitation

圖14 隨機(jī)基礎(chǔ)激勵(lì)下試驗(yàn)與仿真計(jì)算對(duì)比曲線(xiàn)Fig.14 Comparison curves of test and simulation calculation under random foundation excitation

由圖14中曲線(xiàn)及表11中數(shù)據(jù)可以看出：

1)橫向與縱向激勵(lì)中，系統(tǒng)主頻處響應(yīng)曲線(xiàn)吻合較好，主要是由于響應(yīng)計(jì)算采用模態(tài)疊加法，因而仿真計(jì)算得到的響應(yīng)峰值頻率與模態(tài)分析結(jié)果一致；

2)高頻1000 Hz以上曲線(xiàn)吻合度低，主要是由于該頻段內(nèi)輸入量級(jí)較小，受噪聲干擾導(dǎo)致；

3)通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)基礎(chǔ)激勵(lì)分析得到的響應(yīng)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，基頻對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值差值比在14.06%以?xún)?nèi)，均方根值差值比在12%以?xún)?nèi)，差值比均小于工程應(yīng)用誤差15%，由此可以說(shuō)明建立的對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型能夠在隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析中開(kāi)展應(yīng)用。

4 對(duì)接環(huán)減振裝置在HJ-2A/B衛(wèi)星上的應(yīng)用

對(duì)接環(huán)減振裝置的準(zhǔn)確構(gòu)建為其后續(xù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，下面將其應(yīng)用于環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱(chēng)HJ-2A/B衛(wèi)星)，以說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)對(duì)接環(huán)減振裝置在真實(shí)衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)響應(yīng)抑制中的效果。

4.1 HJ-2A/B衛(wèi)星減振模型模態(tài)分析

將本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型與環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星有限元模型通過(guò)MPC進(jìn)行連接，所構(gòu)建的整體有限元模型如圖15所示。通過(guò)模態(tài)計(jì)算得到該模型前三階固有頻率，如表12所示。

圖15 HJ-2A/B衛(wèi)星減振系統(tǒng)有限元模型Fig.15 The finite element model of HJ-2A/B satellite damping system

將環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星在增加對(duì)接環(huán)減振裝置前后的基頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了表12所示數(shù)據(jù)。

表12 HJ-2A/B衛(wèi)星基頻統(tǒng)計(jì)表Table 12 Statistic data of fundamental frequency of HJ-2A/B satellite

由上表數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)衛(wèi)星在增加本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置后基頻均有不同程度降低，衛(wèi)星縱向基頻衰減率最大達(dá)46.24%，衛(wèi)星橫向基頻衰減率最大達(dá)41.66%。由于CZ-2C運(yùn)載火箭對(duì)衛(wèi)星剛度要求為：橫向一階固有頻率≥12 Hz，縱向一階固有頻率≥35 Hz，顯然環(huán)境減災(zāi)二號(hào)衛(wèi)星在采用本文設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置后能夠達(dá)到該要求范圍。

4.2 HJ-2A/B衛(wèi)星減振模型振動(dòng)響應(yīng)抑制效果分析

為了說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置對(duì)于環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星在低頻正弦振動(dòng)、中高頻隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境中的響應(yīng)抑制效果，本文將對(duì)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星減振模型整體有限元模型分別進(jìn)行正弦振動(dòng)響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，并將分析結(jié)果與環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星在原狀態(tài)下的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析所施加的振動(dòng)試驗(yàn)條件及結(jié)果提取的測(cè)點(diǎn)位置均與環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星在原狀態(tài)下的振動(dòng)試驗(yàn)保持一致，下面選取環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星主載荷大氣校正儀、高光譜成像儀、紅外相機(jī)安裝位置處測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)峰值進(jìn)行對(duì)比分析，正弦振動(dòng)分析數(shù)據(jù)如表13所示，隨機(jī)振動(dòng)分析數(shù)據(jù)如表14所示。

由表13中數(shù)據(jù)可以看出：在正弦振動(dòng)分析中，對(duì)接環(huán)減振裝置可以將衛(wèi)星三個(gè)主載荷安裝處的響應(yīng)抑制34%以上，最大抑制率達(dá)74.88%，有效降低了衛(wèi)星主載荷低頻正弦振動(dòng)設(shè)計(jì)條件。

表13 HJ-2A衛(wèi)星減振前后正弦振動(dòng)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)峰值統(tǒng)計(jì)表Table 13 Statistic data of peak response of sinusoidal vibration measuring points before and after vibration reduction of HJ-2A satellite

由表14中數(shù)據(jù)可以看出：在隨機(jī)振動(dòng)分析中，對(duì)接環(huán)減振裝置可以將衛(wèi)星三個(gè)主載荷安裝處的響應(yīng)均方根值抑制25%以上，最大抑制率達(dá)76.17%，有效降低了衛(wèi)星主載荷中高頻隨機(jī)振動(dòng)設(shè)計(jì)條件。

表14 HJ-2A衛(wèi)星減振前后隨機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)均方根值統(tǒng)計(jì)表Table 14 Statistic data of root-mean-square response of random vibration measuring points before and after vibration reduction of HJ-2A satellite

5 結(jié) 論

本文針對(duì)相同平臺(tái)衛(wèi)星不能滿(mǎn)足多種運(yùn)載力學(xué)環(huán)境的問(wèn)題，提出了一種兼具連接與減振功能的對(duì)接環(huán)減振裝置，并基于試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真分析得到如下結(jié)論：

1) 對(duì)接環(huán)減振裝置相對(duì)原始對(duì)接環(huán)在正弦振動(dòng)與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證中，對(duì)響應(yīng)峰值及均方根值的抑制率均高于預(yù)期指標(biāo)，具有明顯抑振效果；

2) 本文構(gòu)建的對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析中的精度可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求；

3) 本文將構(gòu)建的對(duì)接環(huán)減振裝置應(yīng)用于HJ-2A/B衛(wèi)星，在正弦與隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)抑制方面均具有良好效果；

4) 本文設(shè)計(jì)的對(duì)接環(huán)減振裝置在設(shè)計(jì)原理和驗(yàn)證方法上能夠適用于所有以對(duì)接環(huán)為星箭連接過(guò)渡段的衛(wèi)星，同時(shí)，本文構(gòu)建對(duì)接環(huán)減振裝置有限元模型所采用的方法能夠用于此類(lèi)減振裝置有限元計(jì)算。