泡沫鋁隔沖器設計及其對衛星可展開附件收攏狀態力學特性的影響

蔣國偉，顧亦磊，鐘 鳴，周春華，孔祥森

（上海衛星工程研究所，上海 200240）

0 引言

泡沫鋁因其特殊的疏松孔洞結構，質輕而具有很高的沖擊吸能性能，具有良好的比剛度和比強度[1-3]，適合于利用火工品解鎖的衛星可展開附件的爆炸沖擊隔離。但因為泡沫鋁結構中的大量孔洞，其靜剛度相較鋁合金必然有所下降[4-5]，可能影響可展開附件收攏狀態的模態頻率和振動響應。若泡沫鋁隔沖器使得可展開附件在收攏狀態下的模態頻率下降較多，則可能增加展開附件與運載或衛星平臺共振的風險，或因其振動響應過大而增加損壞/損傷的風險。因此，在設計泡沫鋁隔沖器時，應盡可能避免其使展開附件收攏狀態下的模態頻率下降較多，同時保證振動響應不會放大較多。目前，關于泡沫鋁隔沖器對衛星可展開附件收攏狀態力學特性影響的研究，國內外尚無文獻明確揭示，而該研究將有助于泡沫鋁隔沖器在衛星上的工程設計與應用。

本文以某可展開數傳天線為例，在分析可安裝隔沖器的狹小區域的基礎上，提出一種表層填充J-133常溫膠的開孔泡沫鋁塊的扁平式結構泡沫鋁隔沖器設計思路，并采用仿真計算和試驗分析的方法研究其對衛星可展開附件收攏狀態力學特性的影響。

1 泡沫鋁隔沖器設計

某可展開數傳天線設計有兩個壓緊點（每個壓緊點均有一個火工切割器）將天線收攏壓緊在衛星艙板，每個壓緊點設計一個泡沫鋁三向隔沖器[6]。考慮到布局的空間約束、包絡尺寸限制、載荷資源限制等因素，隔沖器應設計安裝在火工切割器與支架之間的狹窄區域（如圖1所示），這樣天線收攏狀態不會因隔沖器的引入而發生變化。由此需考慮2個問題：1）增加隔沖器設計空間將使天線壓緊角度增大（圖1中為45°），從而使壓緊點處的“懸臂”長度增加，降低天線收攏狀態頻率；2）天線壓緊角度變大，則會超出運載包絡要求。

隔沖器設計需在考慮隔沖性能和總裝操作的同時，兼顧沖擊變形應盡量小從而不影響數傳天線展開功能，故而該隔沖器的可設計區域僅約為 80 mm×100 mm×11 mm。在該區域，從模態頻率提升的角度考慮采用三明治夾芯板結構，在充分發揮泡沫鋁高沖擊吸能特性的基礎上，可大幅提升結構的剛度特性[7]。隔沖器設計如圖2所示[6]（圖中坐標系為隔沖器局部坐標系，文中僅在描述隔沖器設計和剛度試驗時使用）。

圖1 某可展開數傳天線的泡沫鋁隔沖器設計空間Fig.1 The design space of foam aluminum shock isolator for a deployable digital antenna

圖2 某可展開數傳天線的泡沫鋁三向隔沖器Fig.2 Three-direction foam aluminum shock isolator for a deployable digital antenna

扁平式三向隔沖器由框體、蓋板、底板和泡沫鋁塊組成。框體設計有外部接口，代表沖擊隔離裝置的包絡尺寸，并可根據約束調整空間包絡尺寸以與支架機械連接。蓋板設計有與火工切割器的接口，與泡沫鋁塊及框體接觸。底板將泡沫鋁塊封閉于蓋板和框體中，與框體設計有連接接口，與蓋板不接觸。泡沫鋁塊在框體、蓋板、底板之間并互相接觸。三向隔沖器三個方向的線剛度體現在：在蓋板板面內（隔沖器的y向、z向），取決于蓋板、泡沫鋁塊與框體之間的摩擦剛度和泡沫鋁塊的剛度；在垂直蓋板板面方向（隔沖器的x向），取決于蓋板與框體之間泡沫鋁塊的剛度。

開孔泡沫鋁材料因其三維連通孔結構而具有突出的吸能效率，卻也使得其模量下降進而引起模態頻率的降低。在泡沫鋁塊的孔洞中填入黏彈性的高分子材料，可以提升泡沫鋁塊的剛度[5,8]。考慮泡沫鋁和填充物的質量比例對沖擊吸能的不確定影響、質量資源的限制等因素，本文參考國內外相關研究成果[5,8]，從經濟性和工程便捷性角度出發，采用自然浸滲法將一定量的J-133常溫膠浸入泡沫鋁塊表層。J-133常溫膠為航天常用的結構膠黏劑，具有優良的綜合性能，如耐熱性、強度和韌性[9]。如此，一方面可增加泡沫鋁塊的黏彈性，提升隔沖器的剛度；另一方面配合泡沫鋁隔沖器殼體可防止碎粒等多余物的產生。

隔沖器的結構是基于可展開附件收攏狀態的有限設計空間，從利于剛度提升的角度而設計。而對于隔沖器內部泡沫鋁塊的剛度，本文從設計應用的工程性角度考慮，根據等效負載約為10 kg、火工切割器沖擊加速度約為10 000g，以及泡沫鋁塊作用設計面積x向約為0.005 5 m2、y向及z向約為0.002 1 m2等條件，代入泡沫鋁受沖擊應力預估公式，得出所受沖擊應力最低為18.2 MPa。式中：m為負載重量；a為輸入沖擊加速度；σx和σyorz分別為泡沫鋁在x向及y、z向的沖擊臨界應力；Ax和Ayorz分別為在x向及y、z向的沖擊作用面積。參考相關文獻成果[8,10-11]，從隔沖器吸能效率最優的角度考慮，本文隔沖器設計應力為17 MPa，泡沫鋁材料相對密度為0.22，泡沫孔徑大小為1～2 mm。根據分離式Hopkinson壓桿（SHPB）上該類泡沫鋁應力-應變曲線測試結果可知[10]，泡沫鋁塊在潰變前的剛度為線彈性剛度，假定該剛度為k，根據泡沫鋁塊作用面積和設計尺寸可預估剛度范圍為k∈(6300,1.65×105)N/mm；而在該線彈性剛度范圍內，當k≤(1.3/t)2×4π2×m時可產生沖擊抑制效果[12]，根據同類型火工切割器產品的沖擊實測曲線[13-14]，可預估沖擊持續時間約5 ms，可知k≤2.67×104N/mm。因此，從保證隔沖器抗沖擊性能最優的角度，設計隔沖器剛度范圍約為k∈(6300,2.67×104)N/mm。

2 力學性能分析

基于第1節對隔沖器的設計，考慮泡沫鋁材料本身批次性問題及隔沖器存在摩擦等剛度非線性問題，為獲取更為準確的仿真計算結果，在建模分析之前開展隔沖器剛度試驗，然后將隔沖器的線剛度試驗結果代入仿真模型進行模態分析和振動響應分析。

2.1 隔沖器剛度試驗

隔沖器x向及y、z向剛度試驗狀態如圖3所示，試驗結果見圖4。

圖3 隔沖器剛度試驗Fig.3 Stiffness test of shock isolator

圖4 隔沖器剛度試驗結果Fig.4 Results of stiffness test of shock isolator

由圖4可知：隔沖器的x向剛度約為26 000 N/mm，y、z向剛度約為9400 N/mm。其中，y、z向剛度試驗結果曲線顯示摩擦剛度較低，相對泡沫鋁塊組合的剛度可以忽略；x向剛度測試時，因裝配存在的0.2 mm間隙，在做完剛度試驗后消失，但不影響后續使用。x向剛度較高，利于該方向基頻的提升；而y、z向剛度相對較低，但因為沖擊響應的主要緩沖方向需求在隔沖器y、z向，所以也符合設計需求，剛度試驗值與設計值也基本相符。

2.2 模態分析

根據上述試驗結果數值，在PATRAN/NASTRAN軟件中以彈性元件建立隔沖器模型（其中，隔沖器的阻尼比參考相關文獻[5,15-17]取值 0.05），分析可展開數傳天線的模態頻率。建模與分析均在天線坐標系下進行，天線坐標系及仿真云圖如圖5所示，結果如表1所示。后續分析和試驗均參考該天線坐標系。

圖5 帶隔沖器的可展開數傳天線模態仿真分析Fig.5 Modal simulation analysis of deployable digital antenna with shock isolator

表1 模態分析結果Table 1 Modal analysis results

分析結果顯示，隔沖器使得天線壓緊狀態前三階的模態頻率下降不超過2.5 Hz。需要說明的是，為了使仿真與試驗狀態吻合以及仿真數據與試驗數據對比，上述仿真模型中天線機構均為結構件建模，故而模態頻率較高（高于真實產品模態頻率，但不影響本文分析比較）。

2.3 振動響應分析

在模態分析仿真模型基礎上，對模型壓緊狀態進行了正弦振動響應分析。激勵頻率范圍為5～200 Hz；輸入量級為鑒定級載荷輸入條件，分析結果取數傳天線上各測點響應相對于輸入控制響應的放大倍數，如表2所示。

表2 振動響應仿真結果Table 2 Vibration reponse analysis results

仿真結果顯示，因泡沫鋁材料是一種具有高能量吸收特性的輕質高阻尼材料，其阻尼特性明顯[15-17]，故而隔沖器使數傳天線的振動響應沒有被放大，反而變小了。

3 試驗驗證與分析

3.1 模態試驗

將數傳天線（含機構、支架等）通過工裝板收攏固定在地基上，粘貼模態試驗傳感器，采用模態敲擊法，測量數傳天線分別在不安裝和安裝隔沖器狀態下的模態，模態試驗狀態及結果如圖6和表3所示。

圖6 數傳天線模態試驗Fig.6 Modal test of the deployable digital antenna

表3 數傳天線模態試驗結果Table 3 Modal test results of the deployable digital antenna

隔沖器使數傳天線收攏狀態前三階模態頻率降低幅度在2.5 Hz以內，相較于數傳天線自身模態頻率，降低不到2%，是可以接受的。仿真結果與試驗結果存在一定偏差，但相差不大，且隔沖器對模態頻率影響的大小和趨勢一致，說明隔沖器對數傳天線結構整體模態的影響較小。

3.2 振動試驗

將數傳天線（含機構、支架等）通過工裝板收攏固定在振動臺上，粘貼振動試驗傳感器（見圖7），分別在x、y、z三個方向開展正弦振動試驗，試驗頻率范圍5～200 Hz，掃描速率2 oct/min，試驗結果取數傳天線上各測點響應相對于輸入控制響應的放大倍數（見表 4）；其中放大倍數的定義與仿真模型中一致，以x方向振動試驗結果曲線為例說明如圖8所示。

圖7 數傳天線振動試驗Fig.7 Vibration test of the deployable digital antenna

對比表2和表4的數據可知，仿真結果與試驗結果基本一致，說明泡沫鋁塊的阻尼比取值較為合適；隔沖器對數傳天線收攏狀態的振動響應有較好的抑制作用，最大可將振動響應放大倍數降低一半。

表4 振動試驗結果Table 4 Vibration test results

圖8 x方向振動試驗放大倍數Fig.8 Magnification in x direction of vibration test

4 結束語

本文針對衛星可展開附件的泡沫鋁隔沖器可能降低附件收攏狀態的模態頻率及放大振動響應等問題，首次提出一種基于表層填充J-133常溫膠的開孔泡沫鋁塊的扁平式隔沖器，并以某可展開數傳天線為例開展泡沫鋁隔沖器設計、分析與試驗驗證，結果表明：

1）泡沫鋁隔沖器采用扁平式結構形式適合用于衛星可展開附件狹窄的設計空間和較高的剛度需求，而表層涂覆J-133常溫膠，在兼顧多余物防護的同時也利于剛度的提升；

2）泡沫鋁隔沖器未明顯降低展開附件收攏狀態的模態頻率（前三階不超過2.5 Hz，頻率下降不超過 2%），且因其阻尼特性，使展開附件的振動響應得到較大程度衰減。

本文所述泡沫鋁隔沖器已成功在軌應用，效果良好，其設計思路、研究方法和結論可適用于各類衛星可展開附件隔沖器的研制。

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