駱海濤，富 佳，王 鵬，王 巍，陳 寧

（1.中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016；2.東北大學 機械工程學院，沈陽 110819）

隨著航天器朝著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，空間桁架由于容易拆裝、工藝性好、質(zhì)量輕，且可以根據(jù)具體的需要進行結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)等優(yōu)良屬性得到了越來越廣泛的應(yīng)用，它也是國際空間站重要組成部分。空間桁架的主要應(yīng)用在兩個方面，一個是在空間桁架最頂端連接相關(guān)的光電學設(shè)備，用來分離電子設(shè)備從而降低相互間干擾；另一個是作為支撐結(jié)構(gòu)，支撐空間大型可展開天線和衛(wèi)星上的太陽帆板等。航天載荷里面裝有精密光電學儀器，它往往和空間桁架連在一起使用。

空間桁架及其載荷通過運載火箭發(fā)射升空，運載火箭在發(fā)射過程中所經(jīng)歷的振動環(huán)境主要分為隨機振動環(huán)境和低頻正弦振動環(huán)境。隨機振動主要是由起飛時的發(fā)動機排氣噪聲、跨音速飛行段的氣動噪聲和發(fā)動機燃燒室內(nèi)的壓力脈動等所引起的寬帶隨機振動。低頻正弦振動主要是由pogo振動，發(fā)動機啟動、熄火和級間分離所引起的彈體結(jié)構(gòu)低階模態(tài)自由振蕩，由陣風和跨音速飛行段激波振蕩所引起的彈體橫行抖動，發(fā)動機不完全燃燒引起的低階縱向振蕩。這種低頻的振動環(huán)境會使空間桁架結(jié)構(gòu)遭到損壞，發(fā)生連接松散，結(jié)構(gòu)件變形，性能下降的現(xiàn)象，同時這種振動會使光電學儀器精度下降，機械疲勞，電路瞬間短路、斷路，甚至功能失效[1]。因此，對空間桁架及其載荷振動特性與振動抑制的研究很有必要[2-4]。

本文根據(jù)實際工程需要，采用在空間桁架管狀結(jié)構(gòu)上敷加黏彈性阻尼層的方法進行減振[5]。黏彈性阻尼層形式簡單，不需要改動現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，粘貼方便，阻尼性能優(yōu)越，使用較少的材料就能達到較大的減振效果[6-8]?？臻g桁架具有延展性，取其中一小段不僅便于研究，而且研究成果也可以應(yīng)用到整個大型空間桁架中。航天載荷是航天精密光電學儀器的載體，這些儀器對于宇航員的空中作業(yè)和航天事業(yè)的發(fā)展都起到關(guān)鍵性的作用。

傳統(tǒng)空間桁架在減振上大多采用直接在長管上敷加約束阻尼層的方法，由于管道較長，剛度較大導(dǎo)致減振效果不佳。本文介紹的一種打斷長管結(jié)構(gòu)，在連接的多段短管上敷加自由阻尼層，通過膠黏劑和短管連接組成長管。這種結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)直接在長管上敷加約束阻尼層的結(jié)構(gòu)相比盡管剛度有所降低，但減振效果更好[9]。此方法可以通過改變連接管的直徑、長度來改變自由阻尼層的厚度、敷加位置和敷加面積，從而達到最佳的減振效果。

1 黏彈性阻尼材料的動態(tài)力學特性

彈性材料在被施加外力之后，其應(yīng)力和應(yīng)變幾乎是同時增加或減小，二者的相位基本一致，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是一條直線，黏彈性阻尼材料和彈性材料不同，在被施加外力之后，應(yīng)變滯后于應(yīng)力[10-11]，滯后相位角為α，如圖1(a)所示。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為一條曲線，如圖1(b)所示。

在圖1(b)中橢圓形曲線所包圍的圖形面積就表示結(jié)構(gòu)經(jīng)過振動后黏彈性材料消耗掉的振動能量，當黏彈性材料受到外界載荷作用產(chǎn)生彈性變形時，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學表達式為

圖1 黏彈性材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

這里采用復(fù)模態(tài)法來描述黏彈性阻尼材料性能，根據(jù)復(fù)模量定義（拉伸模量）

或者

其中：η是黏彈性阻尼材料的阻尼因子，它可以衡量黏彈性阻尼材料消耗能量的能力。η=Ε″/Ε′，Ε?是黏彈性阻尼材料的復(fù)拉伸模量；Ε′是黏彈性阻尼材料復(fù)拉伸模量的實部，Ε″是黏彈性阻尼材料復(fù)拉伸模量的虛部，它決定了黏彈性阻尼材料消耗能量的多少。

2 空間桁架復(fù)合結(jié)構(gòu)

空間桁架及其航天載荷結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖2所示。

圖2 空間桁架及其航天載荷結(jié)構(gòu)

整個結(jié)構(gòu)由長管、短管、上下蓋板、左右蓋板、前后蓋板、連接方塊和工裝幾部分組成。參試結(jié)構(gòu)總重15.848 kg，材質(zhì)為航天硬鋁合金7075。

航天載荷箱體結(jié)構(gòu)外部采用板狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，各個面之間通過螺釘進行連接，連接方塊六個面開有螺紋孔，通過螺釘和連接件、箱體結(jié)構(gòu)進行連接；除了和箱體結(jié)構(gòu)，工裝接觸的八個面，其余各面表面中心位置有直徑18 mm，深度為2 mm的圓形凹槽，用于連接件定位；長管、短管和連接方塊之間通過連接件用螺釘連接；底部的4個連接方塊通過螺釘和工裝連接，而工裝通過螺釘和振動臺連接。

空間桁架打斷長管連接部位的阻尼層選用北京宇航材料研究所（703所）提供的成熟產(chǎn)品，厚度分別為0.8 mm和3 mm，材料為丁腈橡膠，其材料屬性，如下表1所示。

3 振動試驗

試驗對象是原始長管的空間桁架結(jié)構(gòu)與打斷長管式新結(jié)構(gòu)，在連接管上敷加自由阻尼層，通過膠黏劑與打斷長管相連，打斷長管通過連接件用螺釘和連接方塊相連，如圖3所示。

圖3 打斷長管連接斷面

試驗系統(tǒng)包括：激振系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。試驗裝置包括振動臺、控制儀、功率放大器、64通道B&K3660-D數(shù)據(jù)采集儀、B&K4508-B加速度傳感器和電腦等。振動試驗及分析的基本步驟如圖4所示，振動控制儀輸出的正弦掃頻控制信號經(jīng)功率放大器放大之后傳遞給振動臺，電磁振動臺分別沿X向、Y向和Z向激勵空間桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)，各測量通道的加速度響應(yīng)信號經(jīng)過濾波和放大采集到電腦，經(jīng)平均處理和分析，得到0～200 Hz范圍內(nèi)各測點加速度曲線。

圖4 振動試數(shù)據(jù)處理流程圖

通過對原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)進行X、Y和Z方向的正弦掃頻試驗，來評估兩個方案的減振效果。試驗過程中的照片如圖5所示。

圖5 振動試驗現(xiàn)場照片

原空間桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)與打斷長管式新結(jié)構(gòu)在X、Y和Z方向激勵下的載荷上同一加速度測點的加速度響應(yīng)曲線，如圖6－圖8所示。

圖6 X方向測點的加速度響應(yīng)曲線

圖7 Y方向測點的加速度響應(yīng)曲線

這里，對空間比較關(guān)注的縱向激勵情況下的減振效果進行分析?？臻g桁架的原始設(shè)計方案與打斷長管式新方案在3個方向激勵下載荷同一測點的加速度響應(yīng)結(jié)果對比，如表2所示。

表1 阻尼層和約束層材料屬性

表2 Z方向試驗加速度響應(yīng)對比

圖8 Z方向測點3加速度響應(yīng)曲線

通過兩個設(shè)計方案的試驗數(shù)據(jù)對比，可以看出打斷長管式結(jié)構(gòu)在0 Hz到200 Hz范圍內(nèi)在X、Y、Z三個方向上的加速度響應(yīng)和最大加速度響應(yīng)頻率與原空間桁架結(jié)構(gòu)相比均有降低，但共振頻率略有所降低。其中X向?qū)?yīng)加速度最大響應(yīng)頻率從18.25 Hz降到15.84 Hz，Y向?qū)?yīng)加速度最大響應(yīng)頻率從22.64 Hz降到19.42 Hz，Z向?qū)?yīng)加速度最大響應(yīng)頻率從132.75 Hz降到117.85 Hz。空間桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)在Z向的減振效果最為明顯，加速度響應(yīng)峰值最多降幅可達53.7%以上。

4 結(jié)語

本文介紹了一種打斷長管式空間桁架及其航天載荷結(jié)構(gòu)，并通過采用敷加黏彈性阻尼層對其進行減振設(shè)計。根據(jù)實際工況條件，對原始模型和新模型兩種方案進行了振動試驗分析，得到了打斷長管式新方案結(jié)合在其連接處敷加約束阻尼層的方法對于航天載荷的減振效果更明顯，質(zhì)量也更輕的結(jié)論，并驗證了新方案的可行性。另外，通過振動試驗數(shù)據(jù)分析，使得黏彈性阻尼層在空間桁架和航天載荷結(jié)構(gòu)上的減振效果有了更加直觀和準確的評價，對于黏彈性阻尼材料在空間桁架結(jié)構(gòu)和類似航天器上的應(yīng)用具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。