太空飛行器在軌微振動低頻隔振裝置的製作方法

2023-05-15 12:28:26 1

本發明屬於太空飛行器產品的振動控制技術領域，具體涉及一種太空飛行器在軌微振動低頻隔振方法和裝置。

背景技術：

提高太空飛行器產品飛行任務的精度是當前衛星發展的一個重要趨勢，例如對地觀測遙感、雷射通信、空間科學實驗、深空探測等領域。隨著任務精度的提高，衛星上的有效載荷對衛星在軌期間的微振動環境提出了越來越苛刻的要求，以達到設計的任務指標。然而，為了保證衛星姿態控制、熱控制、太陽翼對日定向等常規的功能，衛星上安裝和運行的很多機電設備會引起衛星結構微小的振動，惡化衛星任務執行期間的振動環境，一旦微振動環境不能滿足高精度任務要求，必須採取微振動隔振措施。

微振動隔振技術，指的是在振動傳播路徑中增加主動或被動元器件(隔振器)，減小振動源傳遞到載荷的能量。隔振器可以分為被動隔振、半主動隔振、主動隔振和混合隔振。被動隔振可靠性高、成本低，不消耗外部能源，對高頻振動有很好的抑制，降低被動隔振器固有頻率是提高隔振性能的有效方法。另外，增加阻尼可以有效抑制諧振，但同時衰減了對高頻振動的抑制，單自由度和二自由度被動隔振已經被廣泛應用，比如採用粘滯材料作為被動阻尼進行振動抑制。但是被動隔振不適合對隨機和低頻振動進行抑制，也不適合同時抑制諧振和高頻響應。半主動隔振可以進一步提高隔振性能，它根據不同的環境條件通過改變阻尼和剛度，提高隔振性能，比如通過改變剛度和阻尼得到的半主動隔振。但是被動隔振的理論局限性仍然存在，比如諧振放大和高頻振動抑制的矛盾，並且改變剛度需要複雜的設備，半主動隔振本質上仍然受到被動隔振的限制。

隨著現代控制技術和智能作動器技術的進步，主動隔振受到越來越大的重視，它在理論上相對被動和半主動隔振具有更優越的性能。為了提高主動隔振的可靠性並充分利用被動隔振的優勢，可以在被動隔振的基礎上採用主動隔振，構成混合隔振系統，達到高精度高可靠的隔振效果。因此，有必要提供一種太空飛行器在軌微振動低頻隔振方法和裝置。

技術實現要素：

基於此，本發明的目的在於提供一種太空飛行器在軌的微振動低頻隔振裝置，用於衛星等太空飛行器上高精度科學儀器設備在軌微振動的隔離。

本發明的技術方案如下：

一種太空飛行器在軌的微振動低頻隔振裝置，主要包括隔振對象支撐板、隔振彈簧、阻尼器、內鉸鏈、彈簧拉伸量調節裝置、外鉸鏈和基座，所述的隔振對象支撐板具有設置隔振對象的安裝接口；隔振對象支撐板周圍通過若干內鉸鏈分別連接隔振彈簧與阻尼器並聯構成的隔振單元的一側，隔振單元的另一側分別通過若干外鉸鏈與彈簧拉伸量調節裝置連接，隔振單元整體繞內外鉸鏈可自由轉動，隔振彈簧為拉伸式彈簧，為隔振對象提供隔振所需的剛度；其中，當隔振對象振動產生位移時，內外鉸鏈為隔振單元提供轉動自由度，保證彈簧產生拉伸變形，彈簧拉伸量調節裝置與凹形基座的側壁進行連接，通過調節裝置對隔振彈簧的初始拉伸量進行調節，設置隔振器剛度，基座具有與外界結構固定的安裝接口。

其中，多個隔振單元相對隔振對象成軸對稱設置。

其中，隔振單元共四個並在隔振對象支撐板周向每隔90°設置成兩兩對稱。

其中，隔振單元中的彈簧為多個並聯的方式。

其中，彈簧拉升量調節裝置為穿設在基座側壁上的螺杆與螺母緊固的配合結構。

其中，螺杆作為彈簧拉伸量調節裝置，螺杆的一端通過螺母與基座緊固連接，當鬆開螺母時，螺杆移動，另一端與彈簧外側根部的鉸鏈連接；通過鬆開螺母，移動螺杆，改變彈簧的初始拉伸量，調節到位後，通過螺母將螺杆與基座緊固。

其中，隔振對象支撐板採用鋁合金製作的框架式結構或鋁蜂窩蒙皮板式結構。

其中，阻尼器為流體阻尼器、磁流變阻尼器或電磁阻尼器。

進一步地，阻尼器的個數與隔振彈簧個數相同。

本發明建立一種太空飛行器在軌微振動的低頻隔振裝置，實現太空飛行器在軌微振動的隔振，提高了衛星在軌擾動部件隔振技術水平，滿足了衛星特別是高精度對地觀測衛星對在軌微振動環境的需求。

附圖說明

圖1為本發明的太空飛行器在軌微振動低頻隔振裝置的結構示意圖；

其中，1—隔振對象支撐板；2—內鉸鏈；3—隔振彈簧；4—阻尼器；5—外鉸鏈；6—彈簧拉伸調節裝置；7—基座。

圖2為本發明的太空飛行器在軌微振動低頻隔振裝置中的彈簧拉伸量調節裝置結構圖。

其中，21為螺杆；22為螺母；7為基座。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的太空飛行器在軌微振動低頻隔振裝置的結構進行進一步說明，該說明僅僅是示例性的，並不旨在限制本發明的保護範圍。

圖1是本發明的太空飛行器在軌微振動低頻隔振裝置的結構示意圖。其中，本發明的裝置包括隔振對象支撐板1、隔振彈簧3、彈簧拉伸量調節裝置6、內鉸鏈2、外鉸鏈5、阻尼器4和基座7，所述的隔振對象支撐板1具有設置隔振對象的安裝接口；隔振對象支撐板1周圍通過若干內鉸鏈2分別連接隔振彈簧3與阻尼器4並聯構成的隔振單元的一側，隔振單元的另一側分別通過若干外鉸鏈5與彈簧拉升調節裝置6連接，隔振單元整體繞內外鉸鏈2，5可自由轉動，隔振彈簧3為拉伸式彈簧，為隔振對象提供隔振所需的剛度；其中，當隔振對象振動產生位移時，內外鉸鏈2，5為隔振單元提供轉動自由度，保證彈簧產生拉伸變形，彈簧拉伸量調節裝置6與凹形基座7的側壁進行連接，通過彈簧拉伸量調節裝置6對隔振彈簧3的初始拉伸量進行調節，設置隔振器剛度，基座7具有與外界結構固定的安裝接口。具體來說：

(1)隔振對象支撐板

隔振對象支撐板1的主要作用是為隔振對象提供安裝的接口，支撐板的形狀和尺寸根據隔振對象機械接口設計，可採用鋁合金製作的框架式結構或鋁蜂窩蒙皮板式結構。

(2)隔振彈簧

隔振彈簧採用拉伸式彈簧，多個彈簧以並聯方式通過與基座和隔振對象支撐板的連接形成穩定結構，對隔振對象進行隔振。支撐隔振對象後，隔振對象與隔振裝置組成的系統具有較低的固有頻率，實現隔振對象的低頻隔振。隔振彈簧可使用機械式拉伸彈簧，實施方式共分三個步驟：

第一步，選取彈簧個數，一般按照在隔振對象支撐板周向每隔90°設置一個彈簧，彈簧個數選取為4個。

第二步，確定隔振裝置的剛度。根據隔振對象的質量和隔振頻率要求，依據結構動力學原理，按下述公式計算隔振裝置的剛度上限值：

式中ksys_max為隔振裝置的剛度上限值，fiso為隔振頻率，m為隔振對象質量。

例如，隔振對象質量5kg，隔振頻率1hz，則隔振裝置的剛度上限值為ksys_max＝2π2×12×5＝98.7n/m。

第三步，確定彈簧剛度和初始拉伸量。根據隔振裝置組成原理，當隔振裝置初始位置的剛度為ksys_max時，單個彈簧的剛度為

式中n為彈簧個數，α為彈簧初始拉伸量，即對彈簧施加初始拉伸後的長度與彈簧未被施加初始拉伸時自由長度的比值。

根據上述公式，當隔振裝置剛度、彈簧個數確定後，單個彈簧的剛度與初始拉伸量具有一定的函數關係，不同的初始拉伸量對應不同的彈簧剛度。為保證彈簧工作狀態剛度特性穩定，一般初始拉伸量取為1.2～1.5，進而可以確定單個彈簧的剛度。

例如，隔振器剛度ksys_max＝98.7n/m，彈簧個數n＝4，初始拉伸量α＝1.2，則單個彈簧的剛度為

(3)阻尼器

阻尼器主要用於抑制隔振器共振，可採用流體阻尼器、磁流變阻尼器或電磁阻尼器。阻尼器個數與隔振彈簧相同，與隔振彈簧並聯安裝。

(4)彈簧拉伸量調節裝置

彈簧拉伸量調節裝置用於根據隔振頻率的要求，對彈簧調節設置初始拉伸量。

最基本的實施方式為採用螺杆作為彈簧拉伸量調節裝置，螺杆的一端通過螺母與基座緊固連接，當鬆開螺母時，螺杆可以移動，另一端與彈簧外側根部的鉸鏈連接。通過鬆開螺母，移動螺杆，改變彈簧的初始拉伸量。調節到位後，通過螺母將螺杆與基座緊固。

上述實施方式為最基本的方法，可以使用花籃螺栓等機械裝置實現同樣的功能。

(5)鉸鏈

鉸鏈的作用是保證隔振器對象支撐板相對基座發生振動時彈簧始終處於拉伸狀態。實施方式為採用球型運動副鉸鏈，鉸鏈設置在彈簧兩端，其中一端的鉸鏈連接彈簧和隔振對象支撐板連接，另一端的鉸鏈連接彈簧和彈簧拉伸調節裝置。鉸鏈可以在限定的角度內自由旋轉。當隔振對象振動時，帶動支撐板隨之平動和扭轉的振動位移，通過鉸鏈連接，保證拉伸彈簧始終處於拉伸狀態。上述實施方式為最基本的方法，可以使用柔性鉸鏈等實現同樣的功能。

(6)基座

基座的主要作用是提供隔振器與外界結構固定的接口，提供彈簧拉伸量調節裝置的安裝接口，保持隔振器為完整的結果，可採用框架式機械結構，主要採用不鏽鋼或鋁合金為材料，也可採用鋁蜂窩蒙皮等複合材料以減輕重量。

儘管上文對本發明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護範圍之內。