航天器大型天線振動控制方案及其試驗驗證

鄒元杰 葛東明 劉紹奎 張少輝 方永剛 鄭鋼鐵 董龍雷 徐明龍

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100) (3 清華大學航天航空學院，北京 100084) (4 西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室，西安 710049)

隨著航天器運載能力和空間任務要求的提高，一些具有變結構或變構型特點、帶有大柔性部件的航天器不斷涌現。它們通常由剛度相對較大的航天器本體和太陽翼、網狀天線、展開桁架、機械臂等大型柔性部件組成,或者不再有“剛性”本體和“柔性”部件之分，整個航天器呈現分布式柔性特征。大型柔性航天器的在軌微振動分析、試驗及振動控制成為航天器的一個重要研究方向[1-4]。

對于帶有大型天線的航天器，隨著天線的尺寸越來越大，在軌工作狀態航天器的頻率越來越低，因此受到外部干擾力作用時的振動響應幅值越來越大。與此同時，大型天線的性能指標(如波束指向精度和穩定度)往往很高，要求結構振動響應足夠小，否則會影響到天線的收發品質。因此，有必要研究大型天線的振動控制問題。振動控制技術的理論研究在其他工程應用中已經有較長的歷史和豐碩的成果，但針對航天器大型天線的應用研究尚不多見。針對大型柔性可展開天線研究的文獻主要集中在展開過程動力學分析、形面控制方法等方面，在振動控制方面的文獻較少[4-10]。航天器天線的低頻、模態密集等特點使振動控制難度大大增加，其他工程的成功經驗在航天器領域未必有效。一些理論相對成熟的振動控制方法，是否適用于航天器大型可展開天線，尚值得深入研究，并需要經過實踐檢驗。

本文針對大型可展開環形天線，開展了振動控制理論、仿真分析和地面試驗驗證研究。首先，介紹了針對大型環形天線研制的被動阻尼器和主動振動控制方案；然后，將控制裝置安裝于實際天線結構，進行了控制效果的地面試驗驗證；最后，給出了試驗驗證結果和對后續航天器大型天線振動控制技術研究的建議?？蔀槲磥碚駝涌刂萍夹g在大型天線上的工程應用奠定基礎。

1 大型環形天線主、被動振動控制方案

結構振動控制主要分為被動控制和主動控制兩種，被動振動控制通過吸振、隔振、耗能等手段吸收結構的振動能量，從而達到振動抑制的目的。被動振動控制不需要外界能量輸入，利用材料本身能量耗散實現對振動的控制，其結構簡單、易于實現、成本低、穩定性高、可靠性好、魯棒性強，對高頻振動抑制效果好。但被動振動控制方法靈活性較差，對突發環境適應能力弱，難以實現對結構性能的動態監控，在某些情況下達不到良好的控制效果。因此，為提高航天器天線的指向精度，保持工作狀態的穩定性，有必要進行在軌主動振動控制。主動振動控制是一種通過控制方法設計作動器，輸出控制力/力矩，實現結構振動抑制的有源控制。其中，控制方法包括比例-微分(PD)控制、極點配置、獨立模態控制、最優控制、智能控制方法等，而常用的作動器有壓電堆、音圈電機等。

由于大型環形天線結構及其動力學特性非常復雜，振動控制實施難度很大?？紤]到大型環形天線的特點，為了取得較好的控制效果，擬將主動控制與被動控制兩種手段結合起來進行振動控制，針對不同部位分別采取被動和主動振動控制措施，達到主、被動協同控制的效果。如圖1所示，為了便于安裝和開展地面試驗驗證，在天線伸展臂的根部(即天線伸展臂與航天器本體連接處)安裝被動阻尼器，其地面試驗驗證針對伸展臂(帶反射器配重)開展；在天線反射面環形桁架根部(即環形桁架與伸展臂連接處)實施主動振動控制作動，其地面試驗驗證針對天線環形桁架開展。主動振動控制的作動器位置選在天線環形桁架與伸展臂連接處，主要參考了前期的研究成果。文獻[8]研究認為，大型環形天線在航天器浮動邊界條件下的振型相對于天線伸展臂與航天器本體連接處固支狀態發生了質的變化，其模態應變能主要分布在天線環形桁架與伸展臂連接處，而非天線伸展臂的根部，所以，在天線伸展臂根部進行主動控制效果不理想。

圖1 主、被動振動控制的總體方案示意圖Fig.1 Sketch of passive and active control scheme

1.1 被動振動阻尼器方案

針對大型天線伸展臂結構研制被動振動阻尼器，以控制天線結構低階整體模態的振動響應。共完成了兩種阻尼器方案的工程實現：一種是金屬橡膠阻尼器方案；另一種是黏彈性阻尼器方案。主要研制過程如下：開展數值模擬方法研究；進行阻尼器參數設計和阻尼器布局優化；完成兩種阻尼器研制，并開展單機試驗；將阻尼器安裝到大型天線伸展臂結構上進行被動減振效果的驗證試驗。

1)金屬橡膠阻尼器方案

為了充分利用金屬橡膠高剛度、高阻尼的特性，設計了直連型金屬橡膠阻尼器(見圖2)，通過金屬橡膠來承受激勵載荷。同時，為了提高阻尼，在螺栓與連接件之間，沿周向均勻布置了八對金屬橡膠阻尼元件。螺栓的作用是把上下兩個連接件固連成一個整體，以保證剛度。這種設計能夠在保證剛度的同時，盡可能發揮阻尼作用。

圖2 金屬橡膠阻尼器Fig.2 Sketch of metal rubber damper

2)黏彈性阻尼器方案

黏彈阻尼器的基本原理為約束阻尼結構(見圖3)。黏彈阻尼材料在增大阻尼的同時，往往會帶來剛度下降，因此專門設計了兩種傳力路徑：主傳力路徑和輔助傳力路徑。主傳力路徑保證剛度滿足設計要求，輔助傳力路徑提供阻尼作用所需的剪切變形。主傳力路徑為中心管結構，輔助傳力路徑由金屬片和黏彈性阻尼層組成。其中，內金屬片與下法蘭相連，外金屬片與上法蘭相連，每對金屬片之間粘接黏彈性阻尼材料，構成約束阻尼結構。在受彎矩作用時，內外金屬片相互錯動引起黏彈阻尼材料發生剪切變形，從而耗散振動能量。

圖3 黏彈性阻尼器Fig.3 Sketch ofvisco-elastic damper

1.2 主動振動控制方案

對于主動振動控制，擬在天線反射器環形桁架上實施，需要重點研究總體控制方案、控制策略和控制算法、傳感器和作動器的布局優化等問題。主要研制過程：開展振動主動控制的總體設計研究，給出控制器總體設計方案；開展控制策略和控制算法等研究，開展傳感器和作動器的布局優化研究；開展主動控制的研制；在數值仿真的基礎上，開展模擬實驗研究，進行控制器電路的初步設計，完成系統電路的優化設計；通過天線反射器環形桁架結構的振動主動控制試驗驗證其控制效果。

為了抑制天線環形桁架結構在水平面內的擺動模態響應，在環形桁架兩根斜支撐桿之間的直桿上安裝一對音圈電機作動器，音圈電機作動器的線圈通過凱夫拉纖維分別與兩根斜支撐桿連接(見圖4)。作動器采用音圈電機，主要是考慮到該作動器具有輸出位移大、輸出精度高、響應速度快、直線驅動效率高、結構緊湊等特性。

圖4 主動振動控制方案示意圖Fig.4 Sketch of active vibration control scheme

2 地面試驗驗證

2.1 被動振動阻尼器試驗驗證

進行被動阻尼器地面試驗驗證時，將天線伸展臂根部固支，或者安裝阻尼器后根部固支。天線伸展臂末端附加配重以模擬天線反射器的質量和轉動慣量特性。將整個試驗裝置放在氣浮臺上，伸展臂與模擬配重通過零重力氣浮工裝支撐，實現零重力試驗條件(見圖5)。通過安裝阻尼器前后伸展臂振動響應的變化來評估減振效果。

圖5 伸展臂地面試驗Fig.5 Deployable arm in ground tests

表1為模態測試結果，從數據可見，安裝阻尼器后天線伸展臂系統前2階頻率略有下降。在末端施加給定的強迫初始位移，釋放后比較阻尼器對響應衰減的影響，自由振動的試驗結果如圖6和圖7所示。由圖6可知，從第5個振動周期的幅值看，不安裝阻尼器的最大幅值為8.51 mm，安裝黏彈阻尼器的最大幅值為1.81 mm，幅值下降78.7%；由圖7可知，安裝金屬橡膠阻尼器的最大幅值為2.84 mm，幅值下降66.6%。

表1 伸展臂模態試驗結果

圖6 黏彈性阻尼器減振效果Fig.6 Vibration control results by visco-elastic damper

圖7 金屬橡膠阻尼器減振效果Fig.7 Vibration control results by metal rubber damper

2.2 主動振動控制試驗驗證

在進行主動振動控制試驗時，將天線反射面的環形桁架通過懸索懸吊,以模擬空間微重力環境。環形桁架與伸展臂連接處固支，作動器安裝如圖8所示。利用擾動激振器模擬干擾激勵(施加正弦激勵)，利用激光位移計測量測點的位移響應，接到dSPACE系統作為測量和反饋信號，利用作動器實現主動控制，采用響應向量重構控制算法。將主動振動控制應用于真實天線環形桁架結構。主動控制效果如圖9所示，在主動振動控制啟動前，測點最大位移為1.549 mm，在主動振動控制啟動后，測點位移為0.119 mm，響應幅值下降92.3%。

圖8 主動振動控制地面試驗Fig.8 Active vibration control in ground test

圖9 主動振動控制效果Fig.9 Active vibration control results

3 結束語

本文針對大型環形天線提出了一種主、被動振動控制方案，研制了用于被動振動控制的黏彈性阻尼器、金屬橡膠阻尼器以及基于音圈電機的主動振動控制原理樣機，并利用實際天線結構進行了減振效果的地面試驗驗證。試驗結果表明：安裝兩種被動阻尼器后天線伸展臂振動幅值下降分別達到78.7%和66%，采用主動振動控制后天線結構響應幅值下降92%，初步驗證了該振動控制方案的有效性。

從工程應用的角度看，由于大型環形天線結構及其動力學特性極為復雜，振動控制技術應用仍存在一些難點。后續航天器大型天線振動控制的研究應關注以下問題：①加強大型復雜天線的動特性試驗技術和動力學建模方法研究，準確掌握大型天線的寬頻段動力學特性；②目前的振動控制方案多以懸臂梁等簡單結構和單一模態抑制為主，后續應著重解決復雜結構、多模態振動控制問題；③加強被動阻尼材料的低頻阻尼特性研究，加強阻尼新材料的應用研究，深度挖掘被動阻尼器向低頻拓展的潛力；④加強小型化、低功耗、嵌入式主動振動控制作動器研究，為工程實施提供更高效、更可靠的控制手段。

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