整星減振技術(shù)的發(fā)展趨勢

周林 范欣欣

摘 要：介紹了整星減振技術(shù)的研究背景，對整星結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)示方法進(jìn)行了概括，分析了現(xiàn)有整星減振技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并做了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：整星減振；力學(xué)環(huán)境；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；主被動一體化減振

從1993年開始，世界各國開始對整星減振技術(shù)進(jìn)行了研究，改善衛(wèi)星和運(yùn)載火箭所處的動力學(xué)環(huán)境，保護(hù)儀器艙上精密設(shè)備，并將整星減振技術(shù)成功應(yīng)用到針對各型運(yùn)載火箭的發(fā)射任務(wù)，避免了衛(wèi)星在主動發(fā)射階段所受到的損傷，極大地延長了衛(wèi)星的使用壽命。

1 整星減振背景

衛(wèi)星在全壽命周期承受的力學(xué)環(huán)境多種多樣，主要分為：類周期振動環(huán)境、瞬態(tài)沖擊環(huán)境、隨機(jī)振動環(huán)境、聲環(huán)境等。衛(wèi)星力學(xué)環(huán)境引起結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，既而產(chǎn)生各種失效效應(yīng)。例如，在靜載荷下整體結(jié)構(gòu)變形過大、結(jié)構(gòu)破壞；儀器設(shè)備振動響應(yīng)過大，功能失效等。尤其是在主動發(fā)射階段，力學(xué)環(huán)境引起的問題最多，后果也最嚴(yán)重。因此，發(fā)射主動段整星振動響應(yīng)的問題歷來是倍受關(guān)注的研究領(lǐng)域。此時(shí)衛(wèi)星承受隨機(jī)振動環(huán)境，主要是火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力脈動和整流罩聲振環(huán)境引起的，極大地影響精密設(shè)備的性能和可靠性。大型液體火箭發(fā)動機(jī)的推力脈動值比固體發(fā)動機(jī)要小。脈動推力沿著箭體結(jié)構(gòu)向上傳遞，最終通過星箭界面?zhèn)鬟f給衛(wèi)星。各級火箭發(fā)動機(jī)工作都會產(chǎn)生推力脈動，而且衛(wèi)星所處的振動環(huán)境還有一部分來源于整流罩的聲振環(huán)境。這兩種隨機(jī)振動環(huán)境相互綜合作為隨機(jī)振動條件的依據(jù)，頻率范圍設(shè)置為20-2000Hz，以功率譜密度作為函數(shù)描述振動環(huán)境。

在靜態(tài)加速度力學(xué)環(huán)境下，當(dāng)應(yīng)力超出屈服和強(qiáng)度極限時(shí)即可導(dǎo)致主結(jié)構(gòu)變形或斷裂，常見的失效形式有強(qiáng)度破壞和穩(wěn)定性破壞。在瞬態(tài)沖擊振動環(huán)境下，常引起承力件的固有頻率與瞬態(tài)振動激勵耦合產(chǎn)生共振，動力響應(yīng)過大引起破壞。在隨機(jī)振動環(huán)境下，材料可能產(chǎn)生微裂紋，并隨時(shí)間不斷擴(kuò)展，損傷連續(xù)累積，最后導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低、疲勞斷裂或壽命下降，結(jié)構(gòu)局部或整體破壞。當(dāng)然力學(xué)環(huán)境還會導(dǎo)致產(chǎn)品的力學(xué)特性變化，設(shè)備元器件電性能變化，部件功能下降或者失效。

2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)示技術(shù)

在載荷和邊界條件作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)示方法的發(fā)展，已從最初單純的有限元方法完善到集有限元法、統(tǒng)計(jì)能量法和邊界元分析方法相結(jié)合的一體的預(yù)示方法。有限元法適用于低頻段結(jié)構(gòu)分析，它在理論和工程分析上已經(jīng)比較成熟，通過Ansys、Abaqus等大型商業(yè)軟件就可以分析結(jié)構(gòu)得到結(jié)果。但是，隨著分析頻率的提高，需要更細(xì)地劃分有限元網(wǎng)格，系統(tǒng)自由度和計(jì)算量急劇增加，給結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)示帶來困難。繼有限元方法之后，邊界元方法是一種新的數(shù)值計(jì)算方法。同有限元法比較，邊界元法計(jì)算量更小、精度更高，在結(jié)構(gòu)聲學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法中占主導(dǎo)地位。統(tǒng)計(jì)能量分析方法適用于高頻段，可以解決高階模態(tài)參數(shù)及模態(tài)密集等問題。國內(nèi)在使用有限元法解決整星動力學(xué)響應(yīng)方面已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸地從模態(tài)，固有頻率設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向動態(tài)響應(yīng)設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)分析之前，模型的準(zhǔn)確性很大程度上決定分析結(jié)果的正確性。模型修正技術(shù)主要可分成矩陣修正和參數(shù)修正兩種。由于參數(shù)修正更適用于工程分析，已成為模型修正主要方法。主要有：迭代法、統(tǒng)計(jì)算法、優(yōu)化法和遺傳算法。

3 整星減振技術(shù)發(fā)展

整星減振技術(shù)是使用隔振器來隔離火箭從星箭界面?zhèn)鬟f到衛(wèi)星上的振動或者利用吸振器吸收衛(wèi)星上振動能量，從而改善衛(wèi)星的動力學(xué)環(huán)境，減小衛(wèi)星精密設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。在整星減振中，一共有三種減振技術(shù)，分別是：被動減振，主動減振，主被動一體化減振。被動減振由于不需要額外提供能源、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是，被動減振器的低頻減振性能普遍較差，抗干擾能力差。國內(nèi)外研究人員隨即提出了主動減振，良好的低頻減振性能正是主動減振的優(yōu)點(diǎn)。但是主動減振也有自身的缺陷，比如：可靠性較差，需要外界能源，惡劣的噪聲降低控制精度。基于被動減振和主動減振的優(yōu)缺點(diǎn)，研究人員提出了一種集被動和主動于一體的整星主被動一體減振器。將被動減振和主動減振的優(yōu)勢結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)兩者的互補(bǔ)，必然會成為以后的發(fā)展趨勢。

實(shí)現(xiàn)主被動一體化減振的整星減振器有壓電約束層阻尼結(jié)構(gòu)，磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)，超磁致伸縮器結(jié)構(gòu)。壓電約束層阻尼結(jié)構(gòu)，是以壓電約束層阻尼結(jié)構(gòu)代替阻尼結(jié)構(gòu)中的彈性約束層阻尼結(jié)構(gòu)。磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)，響應(yīng)快、阻尼比大，并且只需要25V以下的電壓就能正常工作，所耗散的能量很小，也是以后半主動控制發(fā)展的方向。超磁致伸縮振動控制器，可以自行吸收和利用整星結(jié)構(gòu)的振動能量，通過壓磁效應(yīng)可以將整星結(jié)構(gòu)的振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽缓笤侔涯芰抗┙o微型控制器件，實(shí)現(xiàn)整星振動控制自我供給。

4 結(jié)語

綜上所述，整星減振技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了被動減振，主動減振，主被動一體化減振等各項(xiàng)減振技術(shù)。這三種減振技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，以后的發(fā)展方向主要是朝著主被動一體化減振，能實(shí)現(xiàn)全頻域減振，無論在低頻還是高頻區(qū)域，都能達(dá)到很好的減振效果。

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