應用磁流變技術的星箭界面半主動隔振研究

程明　陳照波　楊樹濤　潘忠文　呂文香

摘要：發射階段經受的惡劣振動環境，往往造成衛星發射失敗。為了改善衛星在發射階段的振動環境，提出了一種基于磁流變技術的星箭界面半主動隔振平臺，用來替換傳統的用于星箭連接的錐殼適配器。分析了布置參數、剛度系數、阻尼特性等主要特性參數對隔振平臺傳遞特性的影響。搭建了星箭界面隔振實驗平臺，采用天棚阻尼控制策略，對隔振平臺進行半主動控制。利用正弦掃頻激勵完成了模擬實驗，實驗結果表明：隔振平臺原理可行、主要特性參數可調、隔振效果良好。

關鍵詞：半主動控制；隔振平臺；星箭界面；磁流變阻尼器

中圖分類號：TB535；V414

文獻標志碼：A

文章編號：1004-4523（2017）01-0086-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2017.01.012

引言

目前，各類人造衛星已經在通訊、導航、環境監測、地質勘探、測繪和軍事等領域發揮巨大作用，人造衛星發射數量約占航天器發射總數的90%以上。然而，在航天器的整個壽命周期內，其在發射過程中經受的振動環境最為惡劣。惡劣的振動環境往往是造成航天器發射失敗的主要原因，另一方面，儀器設備的精密化對航天器上動力學環境提出了更高的要求。

傳統星箭連接適配器通常為用蜂窩鋁材料制成的錐殼結構，它具有質量輕、強度高等優點，但其剛度通常較大，結構材料的耗能能力微弱，導致錐殼適配器對衛星隔振的效果較差。星箭隔振技術，即在不改變衛星結構的前提下，利用具有隔振性能的適配器替代原有的剛性過大的錐殼適配器或在原來的適配器與星箭界面之間加入一套隔振系統，減小衛星發射時所承受的環境載荷，降低對衛星及其設備的動態性能要求。

星箭隔振技術的研究起始于20世紀90年代初，主要集中在航天技術發達的美國和歐洲等國家。1997年美國空軍研究實驗室（AFRL）和CSA工程公司聯合研制出世界上第一個星箭被動隔振裝置（SoftRide UniFlex）。SoftRide UniFlex是一種軸向隔振裝置，該裝置是由多個內部粘貼有約束層阻尼結構的鈦合金壓力環組成。這種隔振裝置的優點是不改變原有適配器結構，只是在原適配器和衛星的連接界面接入隔振裝置，利用約束層阻尼結構提高系統的阻尼從而有效抑制軸向諧振頻率的響應幅值，達到軸向隔振目的。在美國菲利普空軍實驗室（AFPL）的資助下，Wilke等研制出了星箭橫向被動有效載荷適配器（IPAF），實驗結果表明該隔振系統對25～40Hz范圍的橫向振動載荷具有很好的抑制作用。但是IPAF比傳統的適配器彎曲剛度低，容易導致衛星與整流罩碰撞。2003年Honeywell公司研制出EL-VIS隔振裝置，該裝置由8個液壓一空氣式作動筒和金屬管網組成主被動一體化振動控制系統，對橫向和縱向振動響應均具有良好隔振性能，但存在質量大、系統結構復雜等缺點。

磁流變阻尼器是一種用于半主動控制的理想元件，具有良好的可控性、可逆性和快速響應等優點。近幾年，關于磁流變阻尼器應用于汽車懸架、高層建筑以及大型橋梁振動控制方面的研究比較廣泛，并取得一些重要的突破，然而，將磁流變阻尼器應用于星箭系統進行半主動隔振的研究不久前才出現。Jean等結合磁流變阻尼器和Stewart并聯結構搭建了一種星箭隔振平臺，通過實驗研究取得了不錯隔振效果，但研究過程中并沒有考慮一些關鍵結構參數對隔振性能的影響。涂奉臣等將磁流變阻尼器安裝在曲桿固接式隔振平臺上，通過模糊最優控制策略進行控制。王強等設計了一種立方體六軸隔振系統，結構上具有一定的解耦優勢。目前，應用磁流變阻尼器進行半主動星箭隔振的研究到實際應用還有一段距離，平臺結構參數對隔振性能影響以及控制策略的效果和可靠性等還需進一步研究和驗證。

1.六自由度隔振平臺

1.1隔振平臺整體結構

Stewart機構具有多自由度運動控制的特點，并且還能夠與多種形式的主動或半主動作動器件結合起來，實現主動或半主動的振動控制。結合星箭隔振的技術要求以及Stewart機構的結構形式，設計了一種星箭界面半主動隔振平臺，用來代替傳統的錐殼適配器。

隔振平臺（如圖1所示）的上、下平臺分別與衛星支架和基礎相連，負載用來模擬衛星。為了保證平臺結構的對稱以及便于裝配時的精確調整，將上、下平臺設計為圓環形。支腿的上、下球鉸不能與平臺直接連接，需要設計一個球鉸座。將球鉸座設計成帶斜面的滑塊狀，通過調整球鉸座的安裝方位來使球鉸滿足運動范圍限制。

1.2隔振平臺支腿

完成設計的支腿結構如圖2所示，磁流變阻尼器置于彈簧內，與彈簧并聯。彈簧選用圓截面螺旋彈簧，置于上、下擋板之問，上擋板通過軸套與上球鉸相連，下擋板與螺桿相連，旋轉螺桿可以調節整根支腿的長度。位移傳感器選用LVDT傳感器，本體通過夾具與上軸套固連，其活動桿下端黏接一塊徑向磁鐵，磁鐵吸附在磁流變阻尼器的端面上。拉壓力傳感器與磁流變阻尼器通過軸套串接。位移傳感器實測磁流變阻尼器的位移量，位移信號傳到控制器進行微分處理后得到支腿與上、下平臺的兩個連接點的相對運動速度。拉壓力傳感器實測磁流變阻尼器的拉壓力，這種集成了拉壓力傳感器的結構設計便于進行多種控制策略的研究與驗證。上、下平臺通過球鉸與支腿連接。

2.主要特性參數

星箭界面隔振平臺的隔振效果，是通過隔振平臺的固有頻率的大小，以及上、下平臺的加速度傳遞率進行評價。隔振平臺具有六個自由度，包括上平臺的3個平動和3個轉動，兩個橫向方向上的平動和轉動振型分別相互耦合。由于星箭界面半主動隔振平臺是關于中軸線的對稱結構，其在兩個橫向上的振型是一致的。設計隔振平臺的縱向共振頻率為10Hz左右；一階橫向共振頻率為3Hz左右，二階橫向共振頻率為9Hz左右。動態調節阻尼系數來改變系統固有特性，實現上、下平臺的加速度傳遞率在共振區被抑制，而在高頻區不惡化。

主要特性參數包括球鉸座的安裝位置、彈簧的剛度系數、以及磁流變阻尼器的阻尼系數，它們的改變對隔振平臺的傳遞特性都會產生影響。

2.1球鉸座安裝位置

球鉸座的安裝位置影響著支腿的空間布局，間接影響著隔振平臺固有特性，包括固有頻率以及傳遞率。球鉸的安裝位置主要由圓周直徑φ、中心角a兩個參數決定，但由于受到其他結構的尺寸限制，直徑φ已經確定，安裝在上平臺上的球鉸座的可調范圍很小。分析過程中認為安裝在上平臺上的6個球鉸座的位置固定，只調節下平臺上的6個球鉸座的安裝位置。下平臺上6個球鉸座中相鄰兩個之間的中心角為a，6個球鉸座兩兩關于下平臺的軸線對稱布置，如圖3所示。

隨著下平臺上球鉸座安裝位置的中心角a的增大，隔振平臺縱向傳遞特性并沒有發生多大變化，而對橫向傳遞特性產生的影響非常顯著。隨著中心角a的增大，橫向一、二階共振頻率減小，一階共振區的傳遞率下降，二階共振區的傳遞率有所升高，高頻區的傳遞率幾乎沒發生什么變化。兩個特殊中心角對應的分析結果，縱向傳遞特性如圖4所示，橫向傳遞特性如圖5所示。

衛星在發射階段，受到的各種準靜態及動態載荷的激勵作用主要是沿縱向方向，因此縱向隔振效果是主要考察指標。另外，受到縱向隔振效果的限制，隔振平臺的一階橫向固有頻率較小。增大下平臺上球鉸座安裝位置的中心角，橫向一階共振區的加速度傳遞率有所改善，但一階橫向固有頻率卻下降明顯，表明這種情況下隔振平臺的橫向剛度較小，容易導致隔振平臺發生傾覆失穩。因此，球鉸安裝位置的確定需要綜合考慮其對隔振平臺的傳遞特性以及穩定性的影響。

2.2彈簧的剛度系數

六根支腿都可以進行伸縮運動，星箭界面隔振平臺的上平臺具有六個自由度，分別為沿三個方向平動以及繞三個方向轉動。衛星通常與適配器是對中安裝，在衛星發射過程中，適配器沿橫向方向受到的偏載很小。沿縱向方向上，六根支腿可以當作是均勻受力的，上平臺只進行上下平動，隔振平臺只表現出一階固有特性；沿橫向方向上，上平臺既有平動也有轉動，表現為二階固有特性。

彈簧的剛度參數直接影響著隔振平臺的固有頻率的大小，調整彈簧的剛度系數，得到縱向傳遞特性如圖6所示，橫向傳遞特性如圖7所示。縱向或橫向上，隔振平臺的固有頻率都是隨著彈簧剛度的增大而增大。當彈簧剛度為100N/mm時，仿真得到隔振平臺的傳遞特性如圖7所示。隔振平臺的縱向共振頻率為9.11Hz；橫向一階共振頻率為2.34Hz，橫向二階固有頻率為9.12Hz。

2.3磁流變阻尼器的阻尼特性

振動系統中的阻尼是通過機械能的耗能來表現，阻尼器就是利用阻尼特性來減小振動幅度的裝置。保持其他參數不變，調節隔振平臺動力系統的阻尼系數，得到縱向傳遞特性如圖8所示，橫向傳遞特性如圖9所示。

沿縱向方向，隨著阻尼系數增大，上、下平臺的加速度傳遞率在共振區依次減小，但在高頻區卻逐漸惡化。沿橫向方向，隨著阻尼系數的增大，上、下平臺的加速度傳遞率在一階、二階共振區依次減小，但在一、二階共振區的中間區域以及高頻區卻惡化明顯。

磁流變液是由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場條件下呈現出低黏度的牛頓流體特性；而在強磁場作用下，則呈現出高黏度、低流動性的Bingham體特性。磁流變阻尼器（MRD）就是利用磁流變液的磁流變效應而設計的阻尼耗能裝置。磁流變阻尼器具有結構簡單、阻尼力連續可調、響應快、出力大、而且耗能小、可靠性高等優點。系統的阻尼系數主要是由磁流變阻尼器的阻尼特性決定，具體表現為與位移、速度、電流相關的阻尼力大小。星箭界面半主動隔振平臺，則是通過半主動控制策略來動態調節磁流變阻尼器的阻尼力大小，從而實現對衛星的隔振。

3.星箭界面隔振實驗

3.1半主動控制策略

半主動隔振實施控制力的作動器只需要少量的能量調節，便可以盡可能實現主動控制力。半主動隔振不需要主動向結構輸入能量，而是巧妙運用外加的可調阻尼裝置（磁流變阻尼器）以控制系統的動力學特性，從而實現對最優響應狀態的追蹤。半主動控制系統結構比較簡單，無需外界能源驅動，易于實現，能夠達到與主動隔振相差不多的控制效果。

天棚阻尼控制算法是經典的半主動控制算法，常常用于汽車懸架隔振系統，算法思想簡單，隔振效果往往能達到期望要求。“假想天棚阻尼模型”（如圖10所示）是假想負載上方總有一個固定不動的“天棚”，負載與天棚之間通過假想阻尼器進行連接。

然而在實際情況中，不可能存在這樣一個通過阻尼器與負載連接的固定不動的“天棚”，因此，常常用一個“實際磁流變阻尼器模型”（如圖12所示）去實時等效“假想天棚阻尼模型”。

基于天棚阻尼半主動控制策略，本文是將隔振平臺這個六自由度系統看作6個相互獨立的子系統進行單獨控制（不考慮相互影響），分別以六根支腿的運動情況作為基礎，應用“天棚阻尼”半主動控制策略對六根支腿進行分別控制。

控制過程中，通過位移傳感器測量并進行微分運算得到磁流變阻尼器的相對運動速度，通過加速度傳感器測量及積分運算得到阻尼器兩端連接點的絕對速度，然后運用式（5）所示的控制率對單個阻尼器的出力狀態進行調整，進而改變系統的阻尼特性。當阻尼力取最大時，通人磁流變阻尼器允許的最大電流；當阻尼力取最小時，通入磁流變得電流為0。

3.2實驗平臺搭建

驗證設計的星箭隔振平臺的隔振效果，搭建星箭界面地面實驗隔振平臺，如圖13所示。實驗平臺的主要參數如表1所示。實驗平臺由星箭隔振裝置、激勵系統和測控系統三部分組成。星箭隔振系統包括上平臺、下平臺、6根支腿、衛星支架和負載；激勵系統主要由振動臺和振動臺控制器組成；傳感器、實驗儀器、控制計算機、快速原型控制系統和功率放大器等組成了測控系統。

宿主控制計算機將控制程序編譯、下載到目標計算機中，并控制運行。同時振動臺控制器控制振動臺，使其產生所需的激勵，星箭隔振系統開始工作并產生響應狀態量。通過傳感器及實驗系統，將星箭隔振系統中的物理量轉換為電信號，并被目標計算機的控制程序采集。采集的電信號經過控制算法演算后得到控制信號，功率放大器驅動并改變MRD動力特性，從而實現對星箭隔振系統的振動控制。

3.3實驗驗證

給星箭隔振平臺的下平臺施加縱向掃頻激勵，分別測試在被動情況下和在天棚阻尼半主動控制情況下的隔振效果，并將半主動控制的實驗結果與仿真結果進行了對比，如圖14所示。沿橫向施加掃頻激勵，得到橫向上對應的結果如圖15所示。

從圖14可以看出，星箭隔振系統的縱向固有頻率約為9.16Hz，與仿真得到9.11Hz比較接近，隔振系統設計方法合理。由于磁流變阻尼器在工作過程中提供了一定的附加剛度，隔振系統的實際固有頻率略有偏大。而在半主動控制下，磁流變液在磁場作用下會呈半固態，磁流變阻尼器會產生比被動下大的附加剛度，隔振系統在半主動控制下的固有頻率大于在被動下的固有頻率。半主動控制的試驗結果與仿真結果比較吻合。

比較天棚阻尼半主動控制和被動的橫向隔振效果，在低頻區天棚阻尼半主動的隔振效果非常明顯，被動情況下的共振峰傳遞率為1.97，天棚阻尼半主動控制情況下的共振峰傳遞率為1.35，相對于被動降低31.5%左右。而且，在高頻區天棚阻尼半主動隔振效果沒有被惡化。半主動控制的試驗結果與仿真結果比較吻合。

由于振動臺的限制（起始頻率為5Hz），橫向方向上的一階固有頻率沒有體現出來，二階固有頻率為9.6Hz，與仿真得到的9.12Hz接近。在天棚阻尼半主動控制的情況下，低頻區隔振效果較好，高頻區的隔振效果也沒有惡化。

4.結論

基于磁流變阻尼技術設計了星箭界面隔振平臺，分析了主要特性參數包括球鉸座的安裝位置、剛度系數、以及阻尼系數對隔振平臺的固有特性的影響：球鉸座的安裝位置對縱向方向上的傳遞特性影響不明顯，而對橫向方向上的傳遞特性影響顯著；彈簧的剛度系數決定著隔振平臺的固有頻率；阻尼特性對隔振平臺的傳遞率的大小影響較大。

搭建了星箭界面隔振實驗平臺，采用天棚阻尼控制策略，實現了對平臺的半主動隔振控制。系統的動態特性測試結果與仿真結果吻合，半主動隔振的整體效果良好。