衛星撓性附件用黏彈性阻尼器試驗研究

孔祥森，周 靜，劉興天，申軍烽，周徐斌

（上海衛星工程研究所 空間機熱一體化技術實驗室，上海 201109）

隨著航天技術的不斷發展，低剛度的撓性附件如天線、太陽電池陣、空間桁架等作為一類特殊的結構在航天領域中正在得到越來越廣泛的應用[1]。但這些附件在太空工作時將不可避免地受到各種內部和外界微振動的干擾，激起低頻、大幅度、長時間的振動，且由于結構阻尼一般較低，振動很難自行衰減。這種振動與衛星主體的姿態運動高度耦合，干擾了姿態控制系統的正常工作，給高分辨率衛星有效載荷性能的實現帶來嚴重影響。著名的哈勃望遠鏡[2]受冷熱交變激勵，引起太陽電池陣的低頻共振，造成指向控制系統穩定度超差，導致哈勃多數時間無法進行科學觀測。近年來，我國遙感衛星的高分辨率不斷取得新的突破，星上光學有效載荷對衛星平臺的結構微振動水平要求愈加嚴格。孟光[3]、Liu[4]等對微振動控制方法進行了綜述，Sun[5]、Kamesh[6]研究了新型的微振動隔振系統。采取阻尼器進行振動抑制是行之有效的手段，而且這些方法廣泛用于建筑結構的地震隔離[7–9]。

隨著星上力矩陀螺、反作用飛輪等主要擾動源的隔振減振研究方法和手段日趨成熟，撓性附件的擾動作為新的主要影響因素逐漸變得不容忽視。由于撓性附件在軌振動能量較大的低階模態主要引起撓性附件與星體連接的根部發生變形，因此，可考慮在根部增加阻尼[10–12]。本文設計了一種黏彈性阻尼器，連接在撓性附件根部與星體之間，其不僅可提供較大連接剛度，保證撓性附件與星體之間的連接，還可以通過約束阻尼層結構的剪切壓縮變形耗散機械能，實現對撓性附件低頻振動的有效衰減。

1 低頻減振阻尼器設計

1.1 阻尼實現原理

約束阻尼結構，即在原有結構上粘貼黏彈性阻尼材料層和約束層，其阻尼層會隨著結構振動發生周期性拉伸變形，利用阻尼材料內應力和應變之間的相位差耗散結構能量，可達到減振降噪的目的，故約束阻尼層能有效抑制一定頻寬內的隨機振動，進而改善結構動力學性能。

通常采用結構損耗因子來描述一個結構損耗振動能量的能力。

其中：η表示整個結構的損耗因子，Eloss表示整個結構損耗的能量，Eo表示結構振動的機械能。

本文主要通過模態應變能法（MSE）指導阻尼器的設計。使用該方法可通過計算整個結構在固有頻率下的損耗因子來描述結構的阻尼性能

其中：ηv是黏彈性材料的損耗因子是第r階陣型中黏彈性材料的彈性應變能，此時將黏彈性材料當做剛體計算，不考慮其阻尼；V(r)是第r階陣型中整個復合結構的彈性應變能。

1.2 結構設計

阻尼器構型如圖1所示，其主要由1個法蘭盤和4個1/4約束阻尼層構成。

圖1 阻尼器三維圖（1/4約束層隱藏）

其中，法蘭盤的中心軸主要用來承載和傳遞作用力，以保證連接剛度；1/4約束阻尼層分別由內約束層、阻尼層、外約束層組成，內約束層與法蘭盤一端面固聯，外約束層與法蘭盤另一端面固聯，內外約束層之間為阻尼層。安裝時，法蘭盤的一端與撓性附件根部固聯，另一端與衛星主體連接。由撓性附件振動引發的桅桿彎曲和扭轉經過阻尼器的振動衰減，再傳至衛星主體。阻尼器的阻尼層受剪切變形耗散能量實現減振。在滿足撓性附件與衛星主體連接剛度的情況下，適當減小中心軸的外徑，使更多的模態應變能傳遞到約束阻尼層上，由式（2）可知如此可提高整體結構的阻尼特性。

2 仿真分析

2.1 模態分析

阻尼器有限元模型如圖4所示。其中，中心軸、法蘭盤、內外約束層采用鈦合金，中間的阻尼層采用黏彈性阻尼材料。

圖2 阻尼器有限元模型

系統仿真中，選取太陽帆板作為撓性附件分析，由于衛星實際使用的太陽帆板組成結構和材料特性較為復雜，且展開尺寸很大，給后續的試驗研究增加難度。因此，本文模擬實際太陽帆板的低階模態頻率和振型，設計出一塊撓性板代替太陽帆板進行仿真分析和試驗研究，并對撓性板進行了鏤空設計，撓性板結構參數見表1。固定與其連接的剛性桅桿根部，安有阻尼器的撓性板在0～10 Hz內的低階模態特性如表2所示，對應的模態振型見圖3。

表1 撓性板結構參數

表2 安有阻尼器且根部固定的撓性板模態頻率

2.2 振動抑制性能分析

圖3 安有阻尼器且桅桿根部固定的撓性板前4階模態陣型

利用有限元軟件對上述結構進行頻響分析，在材料參數設置中對阻尼層的結構阻尼系數分別設置成0、0.5、1、2。激勵點為近桅桿根部的1#點，方向為z向，其它測點布置以及坐標系如圖4所示。不同阻尼參數條件下z方向（垂直于紙面方向）的頻響曲線見圖5和圖6。

圖4 激勵點及各測點布置圖

圖5 不同阻尼條件下撓性板測點頻響曲線（測點4/測點1）

由圖5和圖6可見，隨著結構阻尼系數增大，測點4、測點3相對于測點1的頻響曲線的共振峰均逐漸減小，主頻略向右偏移。在4.4 Hz的共振峰處，減振效果良好；在1.4 Hz的共振峰處，放大比得到一定的降低，當阻尼層結構阻尼參數設置為2時，共振放大比降低超過30%。

3 試驗研究

為驗證阻尼器的減振性能，進行試驗研究。試驗采用激振器-阻尼器-撓性板的連接方式，如圖7所示，阻尼器的上端面固定在桁架上，下端面連接撓性板，詳細連接示意圖見圖8。

圖6 不同阻尼條件下撓性板測點頻響曲線（測點3/測點1）

圖7 實驗裝置及現場圖

激振器施加0.1 Hz～15 Hz的正弦掃頻激勵，通過測量輸入（1#測點信號）和輸出（撓性薄板信號，即測點2#、3#、4#、5#信號）的加速度，獲得不同阻尼水平下的共振放大比，其中垂直于撓性板方向為z向。試驗選用丁基橡膠和2552減振材料（3M）作為阻尼層材料，阻尼層厚度分別選為0.4 mm、0.8 mm，進行對比試驗分析，兩種阻尼材料的基本屬性如表3所示［13–14］。試驗中比較同一阻尼層厚度時，無阻尼和不同阻尼材料對低頻減振性能的影響；并比較同一阻尼材料時，無阻尼和不同阻尼層厚度對低頻減振性能的影響。

圖8 阻尼器連接示意圖

表3 兩種阻尼材料阻尼性能

試驗結果如圖9－圖12所示。圖9和圖10為阻尼層厚度均為0.4 mm時，不同阻尼材料對阻尼器低頻減振效果的影響。從時域圖可明顯看出，無阻尼時測點4共振后衰減較為緩慢，采用丁基橡膠和2552減振材料不僅大大減小衰減時間，還顯著降低共振峰幅值，其中2552減振材料效果更好些。

圖9 不同阻尼材料條件下4#測點實測時域響應圖

圖10 不同阻尼材料條件下4#、#1實測頻響曲線

由頻域圖可知，2552減振材料在1.4 Hz處使測點4相對于測點1的共振放大比降低了50%，在系統結構的其它共振峰處放大比也減小了；同時丁基橡膠和2552減振材料使共振峰主頻略向右偏移，其中2552減振材料偏移量較小。因此，作為設計采用的阻尼器阻尼層材料，2552減振材料要優于丁基橡膠。

圖11 不同阻尼材料條件下3#測點實測時域響應圖

圖12 不同阻尼材料條件下3#/、#1實測頻響曲線

圖11和圖12為阻尼層材料均為2552減振材料時，不同阻尼層厚度對阻尼器低頻減振效果的影響。由測點3的時域圖和測點3相對于測點1共振放大比頻域圖可知，有阻尼工況的共振衰減時間比無阻尼工況短、共振放大比降低明顯，但比較阻尼層厚度為0.4 mm和0.8 mm時的結果發現，一定范圍內阻尼層的厚度改變對阻尼器的低頻減振效果基本無影響。因此，阻尼存在可使阻尼器對結構的低頻振動起到抑制作用，而增加約束阻尼層中阻尼材料的厚度并不能進一步提高阻尼器的阻尼特性。

4 結語

設計了連接在撓性附件根部和星體之間的黏彈性阻尼器，并對其進行了相關仿真分析和試驗研究。通過本文研究，可以得出以下結論：

（1）采用在衛星撓性附件根部和平臺之間串聯黏彈性阻尼器的被動振動抑制的方法是有效的，能夠保持連接剛度并加快撓性附件的衰減速度；

（2）所研究的兩種黏彈性阻尼材料中，2552減振材料可以將低頻1.4 Hz處的共振峰抑制能力提升50%以上，是減振材料中較好的選擇；

（3）試驗結果表明，在一定厚度范圍內，增加阻尼層厚度不能提升低頻振動衰減效果；

（4）所設計的阻尼器可有效提升撓性附件和星體連接系統的阻尼水平，實現撓性附件低頻振動的抑制，從而提高衛星的高精度姿態控制能力，對衛星在軌振動控制具有較強的指導意義。