羅 婕， 檀傈錳， 羅 敏， 殷新喆

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 北京,100094)

引 言

隨著我國航天技術(shù)的高速發(fā)展，以高分辨率遙感衛(wèi)星為代表的高精度航天器在軍事偵察、測繪、導(dǎo)航、氣象及海洋等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。隨著航天器有效載荷觀測精度的提升，微振動(dòng)對有效載荷穩(wěn)定度的干擾成為影響高分衛(wèi)星指向精度和成像質(zhì)量的主要因素之一[1]。為了解決微振動(dòng)對有效載荷穩(wěn)定度的干擾問題，國家針對高精度航天器在軌微振動(dòng)抑制的迫切需求，開展了三項(xiàng)課題研究：“微振動(dòng)源擾振機(jī)理及輸出特性”課題主要研究微振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，揭示微振動(dòng)源擾振輸出特性；“微振動(dòng)傳遞規(guī)律及測量方法”課題主要研究微振動(dòng)傳遞規(guī)律，揭示多源微振動(dòng)在航天器平臺(tái)復(fù)雜環(huán)境下傳遞的規(guī)律及耦合的特性，提出微振動(dòng)間接測量的理論與方法；“微振動(dòng)抑制理論及驗(yàn)證方法”課題主要研究微振動(dòng)綜合抑制的理論與機(jī)制，提出多級(jí)、多維系統(tǒng)抑制及綜合驗(yàn)證的理論與方法[2-7]。

作為微振動(dòng)抑制理論及驗(yàn)證方法研究中多級(jí)、多維系統(tǒng)抑制的重要組成部分，在有效載荷安裝位置通過載荷隔振裝置隔離從衛(wèi)星平臺(tái)傳入有效載荷的微振動(dòng)干擾，是降低微振動(dòng)對有效載荷干擾的重要手段。然而由于空間敏感，有效載荷不可避免地會(huì)受到多個(gè)方向的擾動(dòng)，因此載荷隔振裝置一般具有隔離多維振動(dòng)的能力，并且其在軌工作狀態(tài)具有零重力、自由邊界等特殊力學(xué)環(huán)境。如何合理地模擬載荷隔振裝置在軌工作環(huán)境，并對這種裝置的微振動(dòng)隔振性能進(jìn)行全面科學(xué)的地面測試，成為項(xiàng)目遇到的難點(diǎn)之一[8-10]。

筆者為了對載荷隔振裝置的特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)和搭建了一套微振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了合理可行的試驗(yàn)方案，能夠量化評(píng)估載荷隔振裝置的減隔振效果。該試驗(yàn)研究為載荷隔振裝置的性能評(píng)估提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)方法可推廣到其他衛(wèi)星隔振系統(tǒng)，為后續(xù)其他減隔振裝置的地面驗(yàn)證試驗(yàn)提供了工程經(jīng)驗(yàn)，對衛(wèi)星減隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有廣泛的參考價(jià)值。

1 載荷隔振裝置簡介

圖 1所示為某光學(xué)成像衛(wèi)星的載荷隔振裝置組成圖，該裝置由減振模塊、壓緊釋放裝置和相機(jī)安裝框三部分組成。其中，相機(jī)安裝框用于提供光學(xué)載荷安裝接口，壓緊釋放裝置在發(fā)射時(shí)鎖定，從而提高相機(jī)和衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的連接剛度，保證相機(jī)在發(fā)射時(shí)的承載要求，此時(shí)減振模塊不起作用。入軌后，壓緊釋放裝置接受解鎖指令并完成解鎖，解鎖后斷開相機(jī)安裝框和結(jié)構(gòu)安裝框的連接關(guān)系，相機(jī)只通過減振模塊與衛(wèi)星相連接，并通過減振模塊實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)抑制功能。

圖1 載荷隔振裝置組成圖Fig.1 Composition diagram of payload isolation device

2 載荷隔振裝置微振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自由邊界模擬方法

為了合理模擬衛(wèi)星在零重力下的狀態(tài)，并考慮到方法的有效性及可實(shí)施性，采用支撐式工裝來模擬自由邊界條件，如圖 2所示。試驗(yàn)時(shí)，整星處于豎直狀態(tài)，由相機(jī)模擬件、模樣結(jié)構(gòu)星和載荷隔振裝置三部分組裝而成，并安裝在自由邊界模擬支撐工裝上。該支撐工裝底部與地軌固支，頂部與衛(wèi)星對接，支撐衛(wèi)星抵消重力，從而模擬衛(wèi)星實(shí)際在軌飛行狀態(tài)下的自由邊界條件，降低附加剛度對試驗(yàn)的影響。試驗(yàn)件上方整星吊點(diǎn)處利用軟繩與整星吊具相連，以保證整星安全。軟繩主要是起到保護(hù)衛(wèi)星的作用，防止其傾倒，在衛(wèi)星處于豎直狀態(tài)時(shí)，軟繩對衛(wèi)星不產(chǎn)生作用力，因此不會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖2 整星安裝示意圖Fig.2 Sketch map of whole satellite installation

2.2 試驗(yàn)測試方案

根據(jù)載荷隔振裝置的功能和特點(diǎn)，通過整星微振動(dòng)試驗(yàn)，主要對載荷隔振裝置安裝后的整星模態(tài)和傳遞率進(jìn)行測試。為了對整星在不同安裝狀態(tài)下的模態(tài)特性和傳遞特性進(jìn)行對比分析，并量化評(píng)估載荷隔振裝置的減隔振效果，需要在壓緊釋放裝置解鎖和鎖定這兩種狀態(tài)下進(jìn)行測試。測試方法如下。

1) 模態(tài)測試：通過錘擊法進(jìn)行模態(tài)測試，從而獲得相機(jī)+載荷隔振裝置組合體的模態(tài)頻率和振型。錘擊點(diǎn)位置為相機(jī)框上粘貼的4個(gè)加速度測點(diǎn)附近，每點(diǎn)錘擊x，y，z三個(gè)正交方向。

2) 傳遞率測試：傳遞率測試采用大行程激振器+力傳感器的方式，分別在星體的4個(gè)立柱外側(cè)對星體進(jìn)行激振，如圖 3所示。在每個(gè)激振點(diǎn)進(jìn)行激振時(shí)，激勵(lì)工況如表 1所示，其中包含有不同幅值和不同頻率的定頻正弦信號(hào)，通過數(shù)據(jù)分析可得到星體-載荷隔振裝置-相機(jī)的微振動(dòng)傳遞特性。其中，定頻正弦信號(hào)的頻率值根據(jù)相機(jī)成像敏感干擾頻率或者衛(wèi)星實(shí)際振源干擾頻率來決定。

圖3 激振點(diǎn)位置圖Fig.3 Diagram of excitation point position

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2.3 測點(diǎn)布置

在試驗(yàn)中設(shè)置4個(gè)力測點(diǎn)和8個(gè)加速度測點(diǎn)，其具體位置描述見表 2。

由于力測點(diǎn)和加速度測點(diǎn)所用的傳感器質(zhì)量每個(gè)大約在5g左右，該質(zhì)量和整星的質(zhì)量相比可以忽略不計(jì)，對測試結(jié)果基本不產(chǎn)生影響，因此在理論分析以及試驗(yàn)測試中可以不考慮傳感器附加質(zhì)量的影響。

表2 試驗(yàn)測點(diǎn)說明

圖4 力測點(diǎn)安裝位置(星體上)Fig.4 Diagram of force measuring point installation position (on the satellite)

圖5 載荷隔振裝置與星體連接位置處的加速度測點(diǎn)Fig.5 Acceleration measuring point at the position where payload isolator device is connected to the satellite

圖6 相機(jī)安裝框上的加速度測點(diǎn)Fig.6 Acceleration measuring point on the camera installation frame

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 模態(tài)測試結(jié)果及分析

圖7所示為利用有限元分析法對相機(jī)+載荷隔振裝置組合體進(jìn)行了理論建模，并通過分析得到組合體在壓緊釋放裝置鎖定狀態(tài)(發(fā)射階段)和解鎖狀態(tài)(入軌階段)下的x向和y向1階模態(tài)頻率，如表3所示。

圖7 相機(jī)+載荷隔振裝置組合體模態(tài)的有限元分析Fig.7 Finite element analysis of camera and payload isolation device combination mode

表3 理論分析得到的組合體1階模態(tài)頻率

在實(shí)際試驗(yàn)中，同樣分別在壓緊釋放裝置鎖定狀態(tài)和解鎖狀態(tài)下進(jìn)行了模態(tài)測試，得到相機(jī)+載荷隔振裝置組合體在兩種狀態(tài)下的1階模態(tài)頻率，測試結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)得到的組合體1階模態(tài)頻率

對比表 3和表 4的數(shù)據(jù)可以看到，無論是鎖定狀態(tài)還是解鎖狀態(tài)，試驗(yàn)得到的1階模態(tài)頻率值和理論分析值吻合的很好，證明了試驗(yàn)方案的合理性和有效性。圖 8給出了組合體在解鎖和鎖定兩種狀態(tài)下的x向1階模態(tài)振型，結(jié)合表 4的試驗(yàn)結(jié)果，可以充分說明壓緊釋放裝置在鎖定狀態(tài)下，相較于解鎖狀態(tài)而言，組合體的模態(tài)頻率和振型都發(fā)生了一定的變化，且鎖定后的1階頻率增大，說明此時(shí)組合體剛度增大，有利于減小發(fā)射段的相機(jī)響應(yīng)，從而達(dá)到增大承載能力的目的。

圖8 解鎖狀態(tài)和鎖定狀態(tài)下的x向1階模態(tài)振型示例Fig.8 First-order mode shape illustrations of x direction under unlocked state and locked state

3.2 傳遞率測試結(jié)果及分析

3.2.1 傳遞特性分析

圖 9～12所示為在解鎖狀態(tài)和鎖定狀態(tài)下，進(jìn)行定頻1正弦激勵(lì)時(shí)得到的A1和A5測點(diǎn)、A2和A6測點(diǎn)、A3和A7測點(diǎn)、A4和A8測點(diǎn)的加速度頻譜圖，其中測點(diǎn)A5～A8分別對應(yīng)測點(diǎn)A1～A4經(jīng)過載荷隔振裝置之后得到的傳遞信號(hào)，且圖中的縱坐標(biāo)均為對數(shù)坐標(biāo)。

由圖 9～12可以看到，在解鎖狀態(tài)下，經(jīng)過載荷隔振裝置后，定頻1的頻率峰值明顯降低，且降低幅度基本一致，充分說明經(jīng)過載荷隔振裝置后，微振動(dòng)傳遞信號(hào)幅度得到了有效抑制，隔振效果良好；而在鎖定狀態(tài)下，由于載荷隔振裝置并未起作用，因此定頻1的頻率峰值降低幅度很小。圖 13所示為兩種狀態(tài)下的A1和A5測點(diǎn)時(shí)域信號(hào)圖，從圖中也可以看出以上規(guī)律。這說明對于定頻1，載荷隔振裝置具有良好的隔振作用，通過試驗(yàn)其隔振效果是能夠量化評(píng)估的。通過對定頻2正弦激勵(lì)下得到的信號(hào)進(jìn)行同樣的分析，也能得到類似的規(guī)律。

圖 9 定頻1正弦激勵(lì)下A1和A5的加速度頻譜圖Fig.9 Acceleration spectrum diagrams of measuring points A1 and A5 under sinusoidal excitation for constant frequency value 1

圖 10 定頻1正弦激勵(lì)下A2和A6的加速度頻譜圖Fig.10 Acceleration spectrum diagrams of measuring points A2 and A6 under sinusoidal excitation for constant frequency value 1

圖 11 定頻1正弦激勵(lì)下A3和A7的加速度頻譜圖Fig.11 Acceleration spectrum diagrams of measuring points A3 and A7 under sinusoidal excitation for constant frequency value 1

圖12 定頻1正弦激勵(lì)下A4和A8的加速度頻譜圖Fig.12 Acceleration spectrum diagrams of measuring points A4 and A8 under sinusoidal excitation for constant frequency value 1

圖 13 定頻1正弦激勵(lì)下A1和A5的時(shí)域信號(hào)圖Fig.13 Time-domain signal diagrams of measuring points A1 and A5 under sinusoidal excitation for constant frequency value 1

3.2.2 隔振效果分析

在獲得傳遞率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過插入損失計(jì)算，可以量化評(píng)判系統(tǒng)的隔振效果。插入損失計(jì)算公式如下

J=1-PunlockAm/PlockAm

其中：J為插入損失；PunlockAm為解鎖狀態(tài)下Am測點(diǎn)的加速度頻譜峰值響應(yīng)；PlockAm為鎖定狀態(tài)下Am測點(diǎn)的加速度頻譜峰值響應(yīng)。

根據(jù)上述計(jì)算公式，將F1～F4點(diǎn)激振時(shí)，在定頻1和定頻2正弦激勵(lì)下，對A5，A6，A7和A8這4個(gè)測點(diǎn)的插入損失進(jìn)行計(jì)算，并采用一定的加權(quán)計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所得結(jié)果如表 5所示?？梢钥吹剑d荷隔振裝置對定頻1的輸入隔振效率(插入損失)平均為97.00%，對定頻2的輸入隔振效率(插入損失)平均為79.76%。該微振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的合理性和有效性得到了充分驗(yàn)證，且隔振效果的量化分析結(jié)果也證明了該測試方法的可實(shí)施性。

表 5 插入損失計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

通過合理模擬衛(wèi)星在軌工作環(huán)境，設(shè)計(jì)并搭建了一套微振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，得到了載荷隔振裝置在解鎖和鎖定兩種狀態(tài)下的模態(tài)和傳遞率測試結(jié)果。通過對比分析，量化給出了載荷隔振裝置的減隔振效果，為載荷隔振裝置的性能評(píng)估提供了可靠依據(jù)。該試驗(yàn)方法可推廣到其他衛(wèi)星隔振系統(tǒng)，對衛(wèi)星減隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。