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整星减振技术的发展趋势

2018-05-14周林范欣欣

科技风 2018年3期

周林 范欣欣

摘 要:介绍了整星减振技术的研究背景,对整星结构响应预示方法进行了概括,分析了现有整星减振技术的优缺点,并做了总结和展望。

关键词:整星减振;力学环境;结构响应;主被动一体化减振

从1993年开始,世界各国开始对整星减振技术进行了研究,改善卫星和运载火箭所处的动力学环境,保护仪器舱上精密设备,并将整星减振技术成功应用到针对各型运载火箭的发射任务,避免了卫星在主动发射阶段所受到的损伤,极大地延长了卫星的使用寿命。

1 整星减振背景

卫星在全寿命周期承受的力学环境多种多样,主要分为:类周期振动环境、瞬态冲击环境、随机振动环境、声环境等。卫星力学环境引起结构振动响应,既而产生各种失效效应。例如,在静载荷下整体结构变形过大、结构破坏;仪器设备振动响应过大,功能失效等。尤其是在主动发射阶段,力学环境引起的问题最多,后果也最严重。因此,发射主动段整星振动响应的问题历来是倍受关注的研究领域。此时卫星承受随机振动环境,主要是火箭发动机产生的推力脉动和整流罩声振环境引起的,极大地影响精密设备的性能和可靠性。大型液体火箭发动机的推力脉动值比固体发动机要小。脉动推力沿着箭体结构向上传递,最终通过星箭界面传递给卫星。各级火箭发动机工作都会产生推力脉动,而且卫星所处的振动环境还有一部分来源于整流罩的声振环境。这两种随机振动环境相互综合作为随机振动条件的依据,频率范围设置为20-2000Hz,以功率谱密度作为函数描述振动环境。

在静态加速度力学环境下,当应力超出屈服和强度极限时即可导致主结构变形或断裂,常见的失效形式有强度破坏和稳定性破坏。在瞬态冲击振动环境下,常引起承力件的固有频率与瞬态振动激励耦合产生共振,动力响应过大引起破坏。在随机振动环境下,材料可能产生微裂纹,并随时间不断扩展,损伤连续累积,最后导致材料强度降低、疲劳断裂或寿命下降,结构局部或整体破坏。当然力学环境还会导致产品的力学特性变化,设备元器件电性能变化,部件功能下降或者失效。

2 结构响应预示技术

在载荷和边界条件作用下结构响应预示方法的发展,已从最初单纯的有限元方法完善到集有限元法、统计能量法和边界元分析方法相结合的一体的预示方法。有限元法适用于低频段结构分析,它在理论和工程分析上已经比较成熟,通过Ansys、Abaqus等大型商业软件就可以分析结构得到结果。但是,随着分析频率的提高,需要更细地划分有限元网格,系统自由度和计算量急剧增加,给结构响应预示带来困难。继有限元方法之后,边界元方法是一种新的数值计算方法。同有限元法比较,边界元法计算量更小、精度更高,在结构声学的数值计算方法中占主导地位。统计能量分析方法适用于高频段,可以解决高阶模态参数及模态密集等问题。国内在使用有限元法解决整星动力学响应方面已经取得了极大的进步,卫星结构的设计已经逐渐地从模态,固有频率设计转向动态响应设计。在结构分析之前,模型的准确性很大程度上决定分析结果的正确性。模型修正技术主要可分成矩阵修正和参数修正两种。由于参数修正更适用于工程分析,已成为模型修正主要方法。主要有:迭代法、统计算法、优化法和遗传算法。

3 整星减振技术发展

整星减振技术是使用隔振器来隔离火箭从星箭界面传递到卫星上的振动或者利用吸振器吸收卫星上振动能量,从而改善卫星的动力学环境,减小卫星精密设备损坏的风险。在整星减振中,一共有三种减振技术,分别是:被动减振,主动减振,主被动一体化减振。被动减振由于不需要额外提供能源、可靠性高、易于实现,已经得到广泛应用。但是,被动减振器的低频减振性能普遍较差,抗干扰能力差。国内外研究人员随即提出了主动减振,良好的低频减振性能正是主动减振的优点。但是主动减振也有自身的缺陷,比如:可靠性较差,需要外界能源,恶劣的噪声降低控制精度。基于被动减振和主動减振的优缺点,研究人员提出了一种集被动和主动于一体的整星主被动一体减振器。将被动减振和主动减振的优势结合起来,实现两者的互补,必然会成为以后的发展趋势。

实现主被动一体化减振的整星减振器有压电约束层阻尼结构,磁流变阻尼器结构,超磁致伸缩器结构。压电约束层阻尼结构,是以压电约束层阻尼结构代替阻尼结构中的弹性约束层阻尼结构。磁流变阻尼器结构,响应快、阻尼比大,并且只需要25V以下的电压就能正常工作,所耗散的能量很小,也是以后半主动控制发展的方向。超磁致伸缩振动控制器,可以自行吸收和利用整星结构的振动能量,通过压磁效应可以将整星结构的振动能量转变为电能,然后再把能量供给微型控制器件,实现整星振动控制自我供给。

4 结语

综上所述,整星减振技术经过多年的发展,实现了被动减振,主动减振,主被动一体化减振等各项减振技术。这三种减振技术各有优缺点,以后的发展方向主要是朝着主被动一体化减振,能实现全频域减振,无论在低频还是高频区域,都能达到很好的减振效果。

参考文献:

[1]马兴瑞,韩增尧,邹元杰,等.航天器力学环境分析与条件设计研究进展[J].宇航学报,2012,33(1):1-12.

[2]杨树涛,董锴,徐庆红,等.基于剪切阻尼的整星减振技术研究[J].导弹与航天运载技术,2016(2):89-91.