高分多模衛星并聯隔振裝置設計與驗證

羅敏 楊文濤 吳瓊 羅文波

(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遙感衛星總體部，北京 100094)

高分多模衛星是中型敏捷遙感衛星公用平臺首發星，也是我國首顆民用分辨率達到亞米級、同時具有多種敏捷成像模式的光學遙感衛星。為了實現高機動敏捷成像、高分辨率綜合成像，星上配置了控制力矩陀螺群[1](Control Moment Gyroscopes, CMGs)用于實現衛星在軌姿態控制和敏捷機動能力。然而，由于轉子靜態和動態不平衡以及安裝誤差，CMGs在軌運行時，不可避免地對航天器上的有效載荷造成微振動干擾[2]。導致有效載荷或其他敏感設備的擾動，從而降低成像質量[3-4]。因此，為了保證有效載荷分辨率達到亞米級，必須減少傳播到衛星中的CMGs引起的微振動。國外同類型和同量級分辨率光學遙感衛星，如美國的世界觀測一號(Worldview I)、世界觀測二號(Worldview II)[5]和法國的昴宿星(Pleiades-HR)[6]等衛星，均使用隔振系統來隔離CMGs引起的干擾。

CMGs用大型隔振系統不僅需要隔離干擾，還用于將CMGs組件連接到衛星結構。因此，隔振系統不僅要滿足微振動隔離的要求，還要確保CMGs在發射過程中的安全可靠。衛星發射環境由準靜態和低頻動態載荷組成，如過載加速度，發動機振動，噪聲，發動機啟停[7]。過高的發射段載荷可能對控制力矩陀螺(CMG)造成永久性損害。因此用于在CMG和航天器結構之間連接的振動隔離系統，應具有將輸入到CMG的發射載荷限制在CMG最大允許過載之下的能力。

然而，對于CMGs用大型隔振系統設計而言，在軌隔離微振動時要求隔振系統采用低固有頻率、低阻尼設計，以提高隔離頻域的微振動衰減率；而發射段承載時要求隔振系統采用高固有頻率、高阻尼設計，以減小CMG在發射段的過載。為了同時滿足這些相互矛盾的設計要求，一般需要在隔振系統中增加一個鎖定-釋放機構，通常采用火工品、電機等作為鎖定釋放動作的致動器。該機構在發射時鎖定，以增加連接剛度從而提高隔振系統的固有頻率，在入軌后解鎖釋放，起到降低連接剛度從而降低隔振系統的固有頻率的作用。國外同類隔振系統如隔離和抑制系統(VISS)[8]，微型隔振系統(MVIS-II)[9]均采用了這種發射鎖機構。然而，這種鎖定-釋放機構重量大且復雜，一旦解鎖后在軌時就沒有任何使用價值。此外，致動器的解鎖沖擊也會增加CMG內部損壞的風險。

為了解決上述問題，高分多模衛星首次采用了一種稱為“并聯隔振裝置”的大型整體隔振裝置，這種裝置采用了特殊設計的對輸入負載高度敏感的“微動隔振器”，實現了發射段輸出高阻尼以保護CMG安全，在軌后提供低阻尼用于隔離CMG微振動干擾。與現有隔離系統相比，并聯隔振裝置具有高承載、高隔振效率，簡單可靠的優點。本文對并聯隔振裝置的設計方案、技術特點、特殊工藝、地面試驗和在軌驗證情況進行了介紹。

1 并聯隔振裝置系統設計

1.1 并聯隔振裝置系統布局與組成

傳統的遙感衛星平臺，CMG一般分散布置在衛星結構艙體周邊，要對CMG采取隔振措施，就需要對每臺CMG都配置單獨的隔振裝置。同時，單個CMG分別隔振的方式，存在多個CMG擾振頻率相互耦合，以及CMG擾振頻率和結構頻率耦合，導致隔振效率下降等問題。為了解決上述問題，高分多模衛星采用集群布局的方式將多臺CMG組裝在一起，如圖1所示。

圖1 高分多模衛星CMGs隔振方案Fig.1 PMIS for CMGs of GFDM-1 satellite

由圖1可知，衛星平臺部分由設備艙、推進模塊、驅動控制模塊、服務艙和太陽翼等組成，其中，驅動控制模塊由多臺CMG組成。多個CMG組合安裝在CMG支架上，CMG支架四角分別通過2根隔振桿與衛星主體結構相連，每根隔振桿都安裝了一臺微動隔振器，在軸向提供非線性阻尼和特定剛度。8根隔振桿組成的隔振系統稱為“并聯隔振裝置”，利用內置微動隔振器的剛度和阻尼，以及8根隔振桿的構型角度，可以優化配置整星結構的動力學特性，從而在特定的頻率上實現對CMG微振動擾動的隔離。這種集群布置CMG，利用并聯隔振裝置實現整體隔振的系統布局方式，將所有CMG放在一起并與衛星平臺隔離開來，與對每個CMG獨立隔振相比，需要更少的隔振器就能實現六自由度方向的隔振，可以減少隔振系統的空間和質量，另外也避免了CMG之間擾振頻率相互耦合的問題。

1.2 并聯隔振裝置動力學特性分析

為了優化配置整星結構的動力學特性，在特定的頻率上實現對CMG微振動擾動的隔離，并聯隔振裝置設計過程開展了布局設計-構型優化-系統參數優化等工作，基于大量的動力學分析和優化迭代確定了拓撲構型和設計參數。

(1)在初步設計階段，通過建立CMG模塊和并聯隔振裝置如圖2(a)所示的簡化動力學模型，開展初步動力學仿真分析，給出并聯隔振裝置的動力學響應特性(模態分析結果及給定輸入條件下的時域、頻域內的響應結果)，分析驗證了并聯隔振裝置的隔振特性，確定了主要構型參數和系統評估流程。

(2)在構型優化階段，通過建立參數化并聯隔振系統模型，如圖2(b)所示，對各設計變量進行敏感度研究分析。將輸入結構各軸向合成加速度幅值最小作為目標函數，將高敏感度參數作為優化設計的自變量，確定隔振桿的拓撲布局和構型尺寸。

(3)在詳細設計階段，結合產品詳細設計和實際制造情況，建立精細有限元模型，對并聯隔振裝置模態特性、發射段響應、承載能力、隔振性能等各方面性能進行校核分析和計算，如圖2(c)所示。

圖2 并聯隔振裝置在不同階段建立的分析模型Fig.2 PMIS analysis model in different periods

由于并聯隔振系統和CMGs組成的驅動控制模塊已經參與了整星結構的承載，并對整星結構產生了明顯的動力學特性影響，因此在并聯隔振裝置設計分析中除了開展系統自身動力學分析之外，還在設計過程中開展了整星結構一體化分析。如圖3所示，在整星模型中引入并聯隔振系統模型，計算了在整星結構中的發射段和在軌的動力學響應，這種結構一體化設計分析方法，保證了并聯隔振裝置邊界條件的真實性，確保了CMG擾振頻率不會和整星結構耦合導致隔振效果下降。

圖3 并聯隔振裝置基于整星一體化分析和隔振效果預估Fig.3 PMIS analysis based on satellite model and prediction of isolation

2 并聯隔振裝置技術特點

并聯隔振裝置是一種全新的整體隔振裝置，實物照片如圖4所示。在8根隔振桿內安裝的微動隔振器，是實現并聯隔振裝置發射承載和在軌微振動隔振功能的主要單機。其主要技術特點如下。

圖4 并聯隔振裝置產品Fig.4 Pictures of PMIS

(1)微動隔振器具有很強的非線性阻尼效應。在不同量級載荷輸入下，微動隔振器輸出阻尼隨頻率變化曲線如圖5所示。在發射段高量級載荷條件下(隔振桿上受到1000 N以上的發射段振動載荷)隔振器輸出阻尼大于6.5×106(N·s)/m，高阻尼輸出能夠有效抑制CMGs在發射段的振動響應，保障CMG的安全。CMG在軌工作時，CMG產生的微振動載荷低于100 N，此時隔振器輸出阻尼降低到小于2×106(N·s)/m，低阻尼輸出能夠降低CMG擾振頻率的振動傳遞率，提升隔振效果。因此，這種強非線性效應很好地解決了并聯隔振裝置發射段高阻尼輸出，在軌時低阻尼輸出，提高隔振效率的需求。

圖5 不同外載荷下阻尼系數曲線Fig.5 Damping coefficient curves with different loads

(2)微動隔振器對微振動高度敏感：能夠在0～50 μm的微米級振幅下，實現隔振器剛度在106～108N/m范圍內可控調節，且誤差不超過10%，從而起到精確調節系統剛度和阻尼的作用。另外，作為三參數隔振器，微動隔振器能夠在中高頻段上提供比常規隔振器更高的隔振效率，有效提升了并聯隔振系統的隔振效率。

(3)微動隔振器內部無任何活動部件，能夠有效應對空間應用時高真空、熱交變的空間環境，具備長期在軌工作的長壽命和高可靠性，并具有高承載能力(軸向大于6000 N)，與美國同類型隔振器[10]相比，微動隔振器各項性能指標相當，在承載能力等部分指標上領先(見表1)。

表1 微動隔振器技術指標和美國同類產品對標Table 1 Performance indexes contrast between micro-vibration isolator and D-Strut isolator

3 并聯隔振裝置地面試驗

在并聯隔振裝置研制過程中，為了驗證隔振裝置剛度阻尼輸出特性、承載能力、隔振能力等各項指標，開展了隔振器性能測試、力學環境試驗、微振動試驗等多種地面試驗工作。

3.1 隔振器性能試驗

如前所述，并聯隔振裝置技術特點要求其內置的微動隔振器能夠在微米級微振動載荷輸入下提供穩定可控的剛度和阻尼。然而，如何在微米級微振動條件下精確測試隔振器的剛度、阻尼性能具有相當的技術難度，我國之前還沒有開展過類似的隔振器試驗。為此，在高分多模衛星研制過程中開展了專項試驗技術攻關，通過反復優化試驗方案和使用特殊的反饋控制算法，實現了在0～200 Hz范圍內，精確測定微米級振幅下隔振器剛度和阻尼隨頻率的性能變化。圖6給出了微動隔振器精密剛度阻尼測試系統，以及該系統在±5 μm振幅上給定頻率激勵下精確測定出的隔振器阻尼遲滯環曲線。阻尼遲滯環曲線長軸斜率表征了隔振器在該激振頻率下的剛度，阻尼遲滯環曲線包絡面積表征了隔振器在該激振頻率下的阻尼。利用該系統，可得到隔振器在微米級振幅下隔振器剛度和阻尼隨頻率的性能。

圖6 微動隔振器精密剛度阻尼測試系統和實測±5 μm阻尼遲滯環Fig.6 Stiffness-damp testing system and the damping loop with ±5μm amplitude of micro-vibration isolator

3.2 并聯隔振裝置力學環境試驗

為了確認發射環境下并聯隔振裝置的承載能力以及對CMG發射時的保護作用，開展了并聯隔振裝置力學環境試驗。圖7給出了并聯隔振裝置和CMGs在振動測試臺進行正弦振動測試的照片和不同量級激勵下CMG安裝點的正弦振動響應結果。振動試驗表明：由于微動隔振器的非線性阻尼效應，并聯隔振裝置在發射段對CMG的振動放大系數隨著輸入激勵負載的增加而減小，有效抑制了CMG在發射段的動力學響應，保障了CMG發射時的安全。

圖7 并聯隔振裝置正弦振動試驗和響應曲線Fig.7 Sinusoidal vibration test and the response curve of PMIS

3.3 并聯隔振裝置微振動試驗

為了驗證并聯隔振裝置在軌時對CMG微振動的隔振效果，開展了并聯隔振裝置地面微振動試驗，該試驗是我國首次對衛星大型整體隔振系統進行的微振動性能標定和測試。圖8是微振動地面測試現場。由CMGs、CMG安裝支架和并聯隔振裝置組成的驅動控制模塊安裝在空氣懸浮平臺上。利用連接在并聯隔振裝置和地面支架之間的高精度力傳感器測量CMG的擾動力輸出。通過多種工況的組合測試，全面評估并聯隔振裝置對CMG群組的隔振能力。試驗結果表明： 采用并聯隔振裝置能夠將CMG輸出到衛星結構的微振動載荷降低90%以上。

圖8 并聯隔振裝置微振動試驗Fig.8 Miro- vibration test of PMIS

4 并聯隔振裝置在軌應用

2020年7月13日，高分多模衛星成功發射，星上安裝了在軌微振動測量系統，通過對隔振桿兩端加速度數據在軌測量，能夠驗證并聯隔振裝置實際在軌的工作性能。圖9給出了并聯隔振裝置4組隔振桿，隔振前后在軌實測加速度的統計值，結果表明：隔振裝置在軌隔振效率超過85%。

圖9 并聯隔振裝置在軌隔振實測結果Fig.9 Isolation results based on the flying data

5 結束語

高分多模衛星首次采用了并聯式大型承載隔振技術的“并聯隔振裝置”，對CMGs在軌微振動干擾進行整體隔離。本文給出了并聯隔振裝置系統組成布局、技術特點和試驗驗證。在軌應用結果表明：并聯隔振裝置在軌隔振效率超過85%，是高分多模衛星實現民用亞米級分辨率、具備多種敏捷成像模式能力的關鍵技術之一。在并聯隔振裝置研制過程中，突破了非線性阻尼系統建模設計、隔振系統整星下拓撲優化分析等多項設計技術，開發了具有高承載、長壽命、良好空間環境適應性的“微動隔振器”，掌握了微幅高精度隔振器測試、大型隔振系統地面試驗等試驗方法，有力地促進了我國高精度衛星平臺隔振技術的發展，為我國后繼高分辨率遙感衛星的研制開發提供了良好的技術基礎。