張　振，方　勃，張業(yè)偉,段　楠

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院),沈陽(yáng) 110136)

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基于形狀記憶合金的衛(wèi)星整體振動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)

張振，方勃，張業(yè)偉,段楠

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院),沈陽(yáng) 110136)

衛(wèi)星在發(fā)射過(guò)程中所處的惡劣動(dòng)力學(xué)環(huán)境會(huì)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(dòng)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(jì)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(jì)沒(méi)有SMA隔振器和添加SMA隔振器兩種狀況下的整星隔振實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)SMA隔振器的隔振效果。對(duì)比兩種狀況下的振動(dòng)幅值響應(yīng)曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，SMA隔振器能夠有效地隔離振動(dòng)，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(dòng)幅值

航天器在發(fā)射過(guò)程中，需要承受復(fù)雜和惡劣的動(dòng)力學(xué)環(huán)境[1-3]，比如整流罩的氣動(dòng)噪聲、推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、火工裝置的爆炸沖擊等。這些動(dòng)力學(xué)環(huán)境引起的振動(dòng)對(duì)航天器及其局部元件有著極大影響。根據(jù)美國(guó) NASA 報(bào)道，航天器的發(fā)射失敗大多是由于發(fā)射過(guò)程中惡劣的振動(dòng)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(duì)航天器在發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)抑制至關(guān)重要。

1993年CSA公司應(yīng)美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)空間運(yùn)載部的要求開(kāi)始對(duì)整星系統(tǒng)減振和抗沖進(jìn)行研究,此后整星隔振技術(shù)開(kāi)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(fù)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(tái)，并對(duì)其做了相關(guān)試驗(yàn)研究，驗(yàn)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(dòng)隔振元件，設(shè)計(jì)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(méi)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(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性，可作為作動(dòng)器材料或阻尼材料用于振動(dòng)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(jì)了SMA整星隔振器，使用振動(dòng)臺(tái)對(duì)整形隔振系統(tǒng)進(jìn)行正弦掃頻實(shí)驗(yàn)，對(duì)比有無(wú)SMA隔振器狀況下的幅值響應(yīng)曲線(xiàn)來(lái)檢驗(yàn)SMA整星隔振器的隔振效果。

1　實(shí)驗(yàn)方案

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)件

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用一套專(zhuān)業(yè)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)完成，具體設(shè)備如表1所示：

表1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

其中振動(dòng)臺(tái)為航天希爾生產(chǎn)的三綜合振動(dòng)臺(tái)，能夠提供垂向、橫向和縱向等三個(gè)方向的振動(dòng)環(huán)境；控制分析系統(tǒng)為比利時(shí)LMS公司研發(fā)的LMS Test.Lab13A軟件，可以提供的振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境有正弦掃頻、隨機(jī)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(gè)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(guò)程中，由于縱向過(guò)載很大，造成粘彈性材料的破壞，使粘彈性阻尼器失效，會(huì)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(jiǎn)單，更易于實(shí)現(xiàn)。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用的振動(dòng)控制試驗(yàn)環(huán)境為正弦掃頻。

圖1　隔振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)中試驗(yàn)件通過(guò)工裝夾具剛性固定在振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)面上。試驗(yàn)采用兩點(diǎn)平均控制方式進(jìn)行，控制點(diǎn)均位于試驗(yàn)件與振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)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(cè)點(diǎn)“satellite”位于負(fù)載上，粘貼加速度傳感器并聯(lián)接到測(cè)試通道上。

圖2　實(shí)驗(yàn)原理框圖

控制信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)功率放大器將信號(hào)放大，進(jìn)而控制振動(dòng)臺(tái)按照特定的功率譜密度進(jìn)行振動(dòng)，控制點(diǎn)處的加速度傳感器測(cè)得振動(dòng)臺(tái)真實(shí)振動(dòng)環(huán)境并反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。另外，在試驗(yàn)件上安裝加速度傳感器用以測(cè)量試驗(yàn)件的振動(dòng)情況并獲得所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖2所示。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3　幅值響應(yīng)曲線(xiàn)

對(duì)比圖3中有無(wú)SMA整星隔振器狀況下的幅值響應(yīng)曲線(xiàn)，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(jiàn)，所設(shè)計(jì)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(dòng)隔振特性有關(guān)，通常低頻區(qū)的隔振都是通過(guò)主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的；高頻隔振效果好，這充分體現(xiàn)了被動(dòng)隔振對(duì)高頻隔振效果好的特點(diǎn)。由共振峰值的偏移情況可知，添加SMA隔振器對(duì)整星系統(tǒng)低頻段的固有頻率沒(méi)有影響，但卻略微降低了中高頻段的固有頻率。

3　實(shí)驗(yàn)誤差分析

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，兩種安裝工況各進(jìn)行三次掃頻實(shí)驗(yàn)以分析實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)測(cè)得幅值響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4所示?？梢钥吹剑瑑煞N工況下三次掃頻實(shí)驗(yàn)的幅值響應(yīng)曲線(xiàn)的重合度都非常高，因此實(shí)驗(yàn)誤差都可以忽略不計(jì)。

圖4　兩種工況下幅值響應(yīng)曲線(xiàn)

4　結(jié)論

應(yīng)用形狀記憶合金(SMA)材料設(shè)計(jì)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(jì)了正弦激勵(lì)下的整星隔振實(shí)驗(yàn)，獲得沒(méi)有SMA隔振器和添加SMA隔振器兩種狀況下的振動(dòng)幅值響應(yīng)曲線(xiàn)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SMA隔振器能夠有效地隔離振動(dòng)，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(dòng)隔振的特點(diǎn)。SMA隔振器對(duì)整星系統(tǒng)低頻段的固有頻率沒(méi)有影響，但略微降低了中高頻段的固有頻率。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：11402151)；遼寧省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：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(dòng)力學(xué)與控制，E-mail：zhangzhen017@126.com;方勃(1964-)男，遼寧沈陽(yáng)人，教授，主要研究方向：空間飛行器動(dòng)力學(xué)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