高分辨光學(xué)衛(wèi)星飛輪微振動(dòng)隔振器的設(shè)計(jì)

楊 睿，王 棟,，谷 松,，陳善搏

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 長(zhǎng)春光學(xué)精密儀器與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，長(zhǎng)春 130033）

目前商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星正向高分辨率、功能高度集成化、高機(jī)動(dòng)能力等方向發(fā)展,一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大幅度減輕了衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量,降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本。但是高度緊湊的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)也使得星內(nèi)飛輪產(chǎn)生的振源靠近了光學(xué)載荷，這種幾乎未加任何衰減的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)載荷成像變得模糊。因此如何隔離星內(nèi)振源已經(jīng)成為研制高分辨一體化商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星過(guò)程中急需解決的技術(shù)問(wèn)題[1-5]。國(guó)外研究人員根據(jù)振源傳遞路徑來(lái)隔離星內(nèi)振動(dòng)，在WorldView-II衛(wèi)星上的CMG支架與服務(wù)艙主承力梁之間安裝了全向隔振器；在ChandraX-ray觀(guān)測(cè)器內(nèi)的飛輪上安裝了Stewart隔振平臺(tái)。但是隔振裝置對(duì)星內(nèi)安裝空間有較高的要求，使其在高分辨一體化光學(xué)遙感衛(wèi)星上使用受到很大的限制。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)星內(nèi)飛輪產(chǎn)生的振源，在光學(xué)載荷安裝面處安裝隔振器來(lái)隔離振動(dòng)對(duì)載荷成像的影響，隔振器的安裝使光學(xué)載荷的整體剛度有所下降。衛(wèi)星發(fā)射段隔振器承受較大量級(jí)的振動(dòng)，會(huì)使隔振器產(chǎn)生塑性變形，降低了光學(xué)載荷原有的安裝精度，進(jìn)而影響光學(xué)載荷的成像[6-11]。

本文將設(shè)計(jì)金屬橡膠隔振器,從振動(dòng)的源頭來(lái)隔離星內(nèi)振源，既保證了隔振效果又不會(huì)降低光學(xué)載荷原有的安裝精度和光學(xué)載荷的剛度。相比于橡膠隔振器，金屬橡膠具有對(duì)工作溫度不敏感、不揮發(fā)、抗太空粒子輻射、高強(qiáng)度、使用壽命長(zhǎng)、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為隔離一體化衛(wèi)星艙內(nèi)振源的隔振器[12]。

1 星內(nèi)振源測(cè)量

飛輪主要通過(guò)內(nèi)部電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星間的動(dòng)量交換，進(jìn)而控制衛(wèi)星的飛行姿態(tài)，由于飛輪轉(zhuǎn)子存在不平衡現(xiàn)象，會(huì)使飛輪工作時(shí)產(chǎn)生微振動(dòng)。使用HR-FP600600平臺(tái)測(cè)量飛輪微振動(dòng)，所測(cè)飛輪為上海精密儀器研究所提供的260型反作用飛輪，起始測(cè)量轉(zhuǎn)速為200 r/min，終止測(cè)量轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，并每隔200 r/min采樣一次，采樣時(shí)間為5 s。測(cè)量系統(tǒng)主要由測(cè)量平臺(tái)、飛輪、飛輪轉(zhuǎn)速控制裝置等組成，測(cè)量裝置如圖1所示。

圖1 飛輪微振動(dòng)測(cè)量裝置

為避免飛輪高頻段振動(dòng)頻率與支架固有頻率發(fā)生耦合，使微振動(dòng)的數(shù)據(jù)分析引入較大的誤差，所以在測(cè)量時(shí)采用硬件低通濾波，截止頻率為300 Hz。

由傅利葉變換得到飛輪不同轉(zhuǎn)速下的瀑布圖如圖2所示。

飛輪微振動(dòng)頻域特性如表1所示。由飛輪支架系統(tǒng)掃頻實(shí)驗(yàn)得到飛輪系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)基頻如表2所示。

由表1、表2分析得出飛輪產(chǎn)生共振峰的原因?yàn)槲⒄駝?dòng)頻率與飛輪殼體頻率發(fā)生了耦合，放大了飛輪的微振動(dòng)。

圖2 飛輪擾振力及力矩瀑布圖

表1 飛輪微振動(dòng)頻域特性

表2 飛輪支架系統(tǒng)固有頻率/Hz

2 載荷光學(xué)元件的有限元分析

分析飛輪微振動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量影響時(shí)，不能將光學(xué)載荷視為剛體，需要充分考慮載荷內(nèi)部光學(xué)元器件與微振動(dòng)頻率發(fā)生耦合的情況[13]。相比于其他光學(xué)鏡的支撐系統(tǒng)，“吉林一號(hào)高分星”次鏡支撐系統(tǒng)對(duì)飛輪微振動(dòng)較敏感，微振動(dòng)使次鏡產(chǎn)生角位移變化，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的光軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使光學(xué)載荷的成像變得模糊，載荷內(nèi)部光學(xué)器件結(jié)構(gòu)如圖3所示，Z為相機(jī)光軸方向，X為衛(wèi)星飛行方向。

圖3 載荷內(nèi)部光學(xué)元件結(jié)構(gòu)圖

“吉林一號(hào)高分星”飛輪安裝位置示意圖如圖4所示。α、β、γ為S向飛輪軸線(xiàn)與衛(wèi)星坐標(biāo)系X、Y、Z坐標(biāo)軸間的夾角。為模擬太空狀態(tài)，有限元分析時(shí)采用無(wú)約束的邊界條件，利用Patran&Natran軟件對(duì)“吉林一號(hào)高分星”進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，得到次鏡敏感頻率點(diǎn)，整星有限元模型如圖5所示。

圖4 飛輪安裝位置示意圖

圖5 整星有限元模型

采用MATLAB分析Patran&Natran計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，得到次鏡在單位擾振作用下的角位移曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 單位擾振下的次鏡角位移

由圖2、圖6分析可知次鏡在240 Hz～270 Hz內(nèi)與飛輪擾振的共振頻率發(fā)生耦合，放大了次鏡的角位移。次鏡在飛輪擾振作用下的三向角位移如圖7所示，其最大角位移峰值如表3所示，不滿(mǎn)足次鏡三向最大角位移小于0.008″的設(shè)計(jì)要求。因此需要設(shè)計(jì)金屬橡膠隔振器隔離飛輪產(chǎn)生的共振峰。為防止隔振器固有頻率與飛輪擾振頻率發(fā)生耦合而放大次鏡角位移，隔振器固有頻率應(yīng)當(dāng)選在次鏡角位移響應(yīng)波谷處，此外為了保證發(fā)射段隔振器的安全性，隔振器固有頻率不宜小于100 Hz，綜合以上因素金屬橡膠隔振器固有頻率應(yīng)選為144Hz。

表3 角位移峰值

圖7 次鏡角位移

3 金屬橡膠隔振器的設(shè)計(jì)

飛輪系統(tǒng)總質(zhì)量為9.7 kg，采用6只金屬橡膠隔振器隔離飛輪擾振，金屬橡膠隔振器由1Cr18Ni9Ti的金屬絲制成，通過(guò)調(diào)節(jié)繞絲的緊密程度及纏繞方式來(lái)控制金屬橡膠的阻尼、剛度，最后形成隔振器所需求的外形尺寸[14]。金屬橡膠結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 金屬橡膠結(jié)構(gòu)圖

要求制作成型后的金屬橡膠三向固有頻率為144 Hz（誤差在15%內(nèi)），此外為保證飛輪在衛(wèi)星發(fā)射段所承受的動(dòng)載荷不超過(guò)其力學(xué)性能范圍，要求隔振器在固有頻率處的放大倍數(shù)應(yīng)小于7。由隔振原理可知金屬橡膠隔振器有效隔振頻率在203 Hz以上。

圖9 金屬橡膠隔振器固有頻率測(cè)量

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的金屬橡膠是否滿(mǎn)足要求，將飛輪、支架、金屬橡膠隔振器組成的系統(tǒng)安裝在力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行0.1 g振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量裝置如圖9所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 隔振器掃頻實(shí)驗(yàn)

由圖10可知金屬橡膠X0、Y0、Z0向固有頻率分別為151 Hz、151 Hz、160 Hz，放大倍數(shù)小于7，測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。由表4數(shù)據(jù)可知研制的金屬橡膠減振器滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表4 金屬橡膠隔振器掃頻結(jié)果

4 金屬橡膠隔振效果

測(cè)量采用金屬橡膠隔振后飛輪的微振動(dòng)，測(cè)量裝置如圖11所示。

圖11 隔振后飛輪擾振測(cè)量

利用傅利葉變換得到飛輪擾振力及力矩的瀑布圖如圖12所示。

對(duì)比圖2，飛輪在249 Hz處的共振峰值明顯減小，由表5可知金屬橡膠在249 Hz處的隔振效率達(dá)80%以上。隔振后飛輪X0、Y0、Z0向擾振力及力矩在151 Hz、151 Hz、160 Hz附近產(chǎn)生新的共振峰，其產(chǎn)生原因?yàn)轱w輪擾振頻率與金屬橡膠隔振器固有頻率發(fā)生耦合，雖然產(chǎn)生了新的共振峰，但是共振峰對(duì)次鏡角位移放大較小。采取隔振措施后次鏡角位移如圖13所示，得到次鏡角位移如表6所示。

表5 隔振效果對(duì)比

對(duì)比表3無(wú)金屬橡膠隔振條件下的次鏡角位移，其峰值減小達(dá)70%以上，滿(mǎn)足次鏡三向最大角位移小于0.008″的設(shè)計(jì)要求。

表6 次鏡角位移

圖12 飛輪擾振瀑布圖

圖13 次鏡角位移

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)隔振措施時(shí)，光學(xué)載荷次鏡頻率與飛輪擾振頻率在249 Hz發(fā)生耦合，放大了次鏡角位移，次鏡X、Y、Z向分別在249 Hz(2 800 r/min)、249 Hz(2 800 r/min)、249 Hz(1 600 r/min)處的最大角位移為0.011″、0.01″、0.024″，不滿(mǎn)足最大角位移小于0.008″的設(shè)計(jì)要求，因此設(shè)計(jì)了金屬橡膠隔振器隔離飛輪產(chǎn)生的擾振；采取金屬橡膠隔振措施后，飛輪在249 Hz處的峰值變小，在249 Hz處的隔振效果達(dá)80%以上。雖然隔振后飛輪擾振力及力矩瀑布圖在155 Hz、160 Hz處與金屬橡膠隔振器固有頻率發(fā)生耦合而產(chǎn)生新的共振峰，但是對(duì)次鏡角位移放大作用較小，次鏡X、Y、Z向在155 Hz（1 600 r/min）、155 Hz（1 600 r/min）、160 Hz（1 600 r/min）處最大角位移分別為0.0022″、0.0022″、0.0012″，與無(wú)隔振措施相比次鏡最大角位移峰值減小達(dá)70%以上，滿(mǎn)足次鏡最大角位移小于0.008″的設(shè)計(jì)要求，證明金屬橡膠隔振器隔振效果明顯、設(shè)計(jì)合理。