可剛化充氣框架式太陽翼設計及振動特性分析

崔嘉鑫,于 東,劉文翔,史志鑫,苗常青*

(1.哈爾濱工業大學特種環境復合材料技術國家級重點實驗室,哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業大學機電學院機械設計系,哈爾濱 150001)

1 引言

太陽翼作為衛星、空間站等大型在軌服役航天器的重要組件之一,為航天器工作提供所需電力支持。隨著航天器功能的不斷擴展,對電力的需求也逐漸增大,但受發射體積和發射重量的限制,所能發射的太陽翼面積遠不能滿足航天器電力需求,這對航天器的發展造成很大局限[1-2]。

充氣結構太陽翼是一種柔性復合材料制成的新型結構,具有折疊體積小、質量輕、可在軌展開成型為大型航天器結構的優點,在大型天線、衛星太陽翼[3-4]等空間大型結構具有廣闊的應用前景[5]。

大面積太陽翼結構尺寸大,結構剛度和振動基頻低,是一種典型的空間大撓度結構。在變軌、調姿等外力作用下,易產生持續振動,增大了航天器姿態控制的難度,且容易與其他部件產生共振,危害航天器的結構安全,將嚴重影響航天器在軌的安全運行以及正常服役工作[6]。

為減小太陽翼振動對航天器運行的不利影響,研究人員從抑制太陽翼結構振動角度展開研究。Ma 等[7]采用添加制動器的方式對太陽翼結構進行干預,以抑制振動;張金龍等[8]、胡軍等[9]對抑制太陽翼運行時產生的振動進行了研究,有效降低了結構振動帶來的隱患。然而,對于此類鉸鏈式的太陽翼結構,在鉸鏈連接處剛度會明顯下降[10],僅從抑制其振動的角度并不能從根本上解決結構剛度低帶來的問題;余建新等[11]研究了充氣天線的結構振動特性,并分析了充氣壓力對模態參數的影響;謝軍[12]對充氣膜結構的褶皺對其振動特性的影響進行了研究,得出褶皺對結構剛度的影響規律。

針對大面積太陽翼需求,并考慮大型太陽翼結構剛度及振動特性等功能要求,本文提出一種可剛化的充氣框架式太陽翼結構方案,并研制結構樣機,開展折疊展開、結構剛化試驗及振動測試試驗,分析不同結構參數對充氣框架式太陽翼振動特性的影響,為充氣框架式太陽翼的研制及應用提供參考和技術支撐。

2 充氣框架式太陽翼方案設計與分析

充氣結構可柔性折疊,折疊體積小,與傳統鉸鏈式可展開太陽翼相比,不含機械鉸鏈,可在軌充氣展開并剛化成型,可靠性高,剛化后振動基頻高,且不會由于機械鉸鏈的引入而造成太陽翼基板連接處的剛度下降,在構建大面積太陽翼方面有顯著的技術優勢。基于充氣結構技術,借鑒現有太陽翼結構方案,提出了一種采用可剛化充氣框架作為展開和支撐結構的太陽翼結構方案。

2.1 方案設計

可剛化充氣框架式太陽翼由充氣框架和太陽電池基板構成,其中,太陽電池基板可采用傳統的剛性基板,也可采用柔性基板;充氣框架采用可剛化的充氣管,形成支撐太陽電池基板的平面框架。充氣管由柔性纖維復合材料制成,可柔性折疊,充氣展開后可通過電加熱、紫外剛化等方式實現結構剛化,從而在軌展開成型為具有足夠結構剛度的太陽翼結構,其結構方案示意圖如圖1 所示。

圖1 充氣框架式太陽翼方案Fig.1 Scheme of inflatable-frame solar wing

太陽翼主體結構由可剛化充氣框架和電池基板構成。可剛化充氣框架由2 根充氣管與兩端連接橫板構成,其中,該充氣管可折疊并充氣驅動展開,連接橫板主要起到將太陽翼與航天器連接在一起的作用,其材質為剛性的輕質金屬材料,如鋁合金、鈦合金等。電池基板與可剛化充氣管之間采用可剛化柔性包帶連接,增大了充氣管與電池基板的連接剛度,避免電池基板產生局部振動。

為使充氣框架式太陽翼具有更小的折疊包絡尺寸,增大其折疊展開效率,且考慮到整個結構無需引入鉸鏈、扭簧等展開及鎖緊機構,單塊太陽電池基板可設計為更小的尺寸,而不會引起結構的剛度在基板間產生明顯的下降。

充氣式支撐框架主要由充氣管構成,充氣管采用可剛化纖維復合材料制成,在未剛化時,充氣管具有較大的柔性,便于結構的折疊。充氣管管壁由內至外依次為氣密層、剛化層、電熱層等多層材料。剛化層之間設有電加熱層,當太陽翼在軌充氣展開成型后,通過電加熱方式,實現充氣框架的加熱剛化。

2.2 振動特性分析

太陽翼是一種典型的空間大撓度結構,在變軌、調姿等外力作用下,易產生持續振動,增大了航天器姿態控制的難度,其振動特性對航天器在軌運行穩定性具有重要影響。

2.2.1 太陽翼結構數值模型

可剛化充氣框架式太陽翼不含有彈簧、鉸鏈等機械連接部件,其展開特性基本不受基板尺寸、折疊段數等的影響。基板尺寸可根據折疊尺寸要求進行較為靈活的設計,本文設計的太陽翼電池基板數目為6 塊,如圖2 所示。

圖2 充氣框架式太陽翼數值模型Fig.2 Numerical model of inflatable-frame solar wing

其中單塊電池基板尺寸為 1120 mm ×635 mm×20 mm,基板與基板、基板與充氣管之間均采用可剛化柔性纖維連接。充氣管直徑D=140 mm,厚度d=1 mm,材料為與芳綸纖維復合材料等密度、等強度的代用均質材料。

由于充氣管和電池基板厚度尺度遠小于其長度尺度,為簡化計算,采用SHELL188 殼單元,其他部分均采用實體單元。為更接近太陽翼實際使用狀態,邊界條件設計為一端連接橫板固定,另一端為自由邊界。

為便于與傳統鉸鏈式太陽翼振動特性進行對比,本文參照文獻[14]的鉸鏈式太陽翼結構形式,采用充氣框架式太陽翼相同結構尺寸,建立了鉸鏈式太陽翼數值模型,如圖3 所示。其中,鉸鏈式太陽翼電池基板包含3 塊鋁蜂窩電池基板,單塊尺寸為1120 mm×1270 mm×20 mm,基板間采用鉸鏈和扭簧連接,一端為連接橫板,尺寸為200 mm×1200 mm×5 mm,材料為鋁合金。為簡化分析,將電池基板簡化為等剛度、等密度的均質等效板,將連接扭簧簡化為等剛度的連接片。

圖3 鉸鏈式太陽翼數值模型Fig.3 Numerical model of hined solar wing

2.2.2 振動特性對比分析

對鉸鏈式太陽翼和可剛化充氣框架式太陽翼進行模態分析,得到了其振型及振動基頻,圖4 為其前三階振型。可以看出,鉸鏈式太陽翼前三階均為彎曲振型,說明其抗彎剛度較低,這是由于其整體結構截面慣性矩小,且板間鉸鏈造成了整體結構的剛度下降所致。充氣框架式太陽翼前兩階為彎曲振型,第三階為扭轉振型,說明其抗彎剛度較高。這是由于剛化后的充氣管為大直徑薄壁結構,相同質量下,與實心結構相比,具有更高的抗彎剛度,且整體結構不含連接鉸鏈,不會造成整體結構剛度的下降,這顯著提高了充氣框架式太陽翼的抗彎剛度及振動基頻。

圖4 2 種結構太陽翼振型及振動頻率對比Fig.4 Comparison of mode and vibration frequency of two kinds of solar wing

圖5 為可剛化充氣框架式太陽翼(充氣管直徑為140 mm)與傳統鉸鏈式太陽翼的前三階振動頻率對比。可以看出,充氣框架式太陽翼振動基頻顯著高于相同面積和質量的鉸鏈式太陽翼。當充氣框架式太陽翼充氣管直徑為140 mm 時,其振動基頻是相同面積和質量的鉸鏈式太陽翼的7.5 倍。

圖5 剛化后充氣框架式與鉸鏈式太陽翼振動頻率對比Fig. 5 Comparison of vibration frequency between inflatable-frame and hinged solar wing after rigidization

2.2.3 充氣管直徑對太陽翼振動特性影響

太陽翼充氣框架由充氣管構成,充氣管剛化后使結構具有足夠的剛度以及更高的振動基頻。其結構尺寸尤其是充氣管直徑對結構剛度具有顯著影響。

對不同直徑充氣管的充氣框架式太陽翼結構振動特性進行分析,得到了充氣管直徑對其結構振動特性的影響規律。圖6 為充氣框架式太陽翼結構振動基頻隨充氣管直徑變化曲線。可以看出,可剛化充氣框架式太陽翼振動基頻隨其充氣管直徑增加呈近似線性增加。當充氣管直徑為200 mm 時,太陽翼振動基頻為2. 24 Hz,相較于相同面積和質量的鉸鏈式太陽翼振動基頻(0. 18 Hz),提升了約12. 4倍。這是因為增大充氣管直徑可顯著提高其截面慣性矩,導致其整體抗彎剛度顯著提高,從而顯著提高了太陽翼的振動基頻。

圖6 充氣管直徑對太陽翼結構基頻的影響Fig.6 The Influence of inflatable tube diameter on the fundamental frequency of solar wing

3 樣機性能測試

3.1 折疊、展開及剛化試驗

研制了可剛化充氣框架式太陽翼結構樣機,總尺寸為:1200 mm(寬)×3000 mm(長)×300 mm(厚)。太陽翼結構樣機共包含10 塊電池基板,單塊基板尺寸為1000 mm×300 mm×20 mm,電池基板及太陽電池片采用代用材料。電池基板通過可剛化包布與充氣框架連接,充氣框架由2 根充氣管與兩端連接橫板構成,其充氣管長為3000 mm,直徑為100 mm,壁厚為1 mm,材料為可剛化纖維復合材料。太陽翼兩端連接橫板尺寸為200 mm×1200 mm×5 mm,材料為鋁合金。

開展了太陽翼樣機折疊、充氣展開及結構電加熱剛化試驗。太陽翼樣機采用Z 型折疊方式進行折疊,并通過充氣壓力驅動太陽翼進行充氣展開,其整個樣機折疊后的尺寸為1200 mm×300 mm×300 mm,其折疊狀態及展開過程狀態照片如圖7 所示。

圖7 太陽翼結構樣機折疊及充氣展開Fig.7 Folding and inflatable deployment of prototype solar wing structure

展開成型后的太陽翼結構進行了電加熱剛化,展開并剛化后的充氣框架式太陽翼如圖8所示。

圖8 展開并剛化成型的太陽翼結構樣機Fig.8 Prototype solar wing structure developed and rigidly formed

上述試驗驗證了可剛化充氣框架式太陽翼的折疊、充氣展開及結構電加熱剛化的可行性。可剛化充氣框架式太陽翼可柔性折疊,折疊效率高(≥10),由于結構中不使用鉸鏈結構,避免了展開過程中的意外卡住、鎖死等問題,顯著提高了其展開過程的平順性、可靠性,展開擾動小。展開剛化后的薄壁充氣管質量很輕,具有很高的截面慣性矩,其抗彎剛度得到了顯著提升[13],并顯著提高其振動基頻。

3.2 振動特性測試

研制了可剛化充氣框架式振動試驗樣機,長度為2000 mm,寬度為1200 mm,具有4 塊電池基板,尺寸為470 mm×805 mm。兩側的可剛化充氣管直徑為100 mm,壁厚為1 mm,與4 塊電池基板通過可剛化柔性包帶實現固定連接。

為了更接近太陽翼在軌服役狀態,將樣機邊界條件設計為一端與地面固定支撐,另一端為自由端。將試驗樣機固定于地面上,呈豎直狀態,底部通過地腳螺栓連接,與地面形成固定支撐邊界條件,同時,該固定方式還具有降低重力對固定端連接強度及結構振動效果產生的影響。

考慮到樣機自身結構特點,本次試驗設計采用錘擊法對試驗樣機的振動基頻進行測試,即利用在端部裝有高靈敏度力傳感器的激振力錘,對試驗樣機施加瞬時的沖擊力激勵;通過布置在試驗樣機上的加速度傳感器,捕獲結構的響應信號;利用動態分析儀對力錘的輸入激勵信號及加速度傳感器的響應信號進行處理,得到振動試驗樣機的各階振動頻率。試驗原理如圖9 所示。

圖9 錘擊法測量結構振動基頻原理圖Fig.9 Schematic of hammer-strike-method for measuring fundamental frequency of structural vibration

在試驗樣機表面不同位置,共設計有6 個測點,用來施加沖擊力激勵。布點如圖10 所示。試驗設備型號如表1 所示。

表1 試驗設備型號表Table 1 Table of test equipment modles

圖10 樣機固定、傳感器布置及錘擊激勵點示意圖Fig. 10 Schematic diagram of prototype fixation,sensor layout and hammer excitation point

由于結構的固定形式為典型的懸臂梁,其主要振動幅值在x方向(即電池基板的法線方向)上較為顯著,因此本次試驗主要在x方向施加力錘激勵,并記錄x方向上的振動幅值。整個試驗系統如圖11 所示。

圖11 試驗樣機振動測試試驗系統布置Fig. 11 Arrangement of vibration test system of test prototype

3.3 測試結果分析

利用力錘,對試驗樣機上所設計的每個錘擊點分別進行3 次沖擊力激勵,并對3 次激勵取平均值,得到了6 個點激勵下的結構振動幅值-頻率曲線,如圖12 所示。可以看出,自激振施加后,頻率在約7.5 Hz 時,激振頻率與結構產生了第一次明顯的共振峰,且6 個測點的激振均在該值附近,因此可以得出,本文所設計的可剛化充氣框架式太陽翼結構在一端固定、一端為自由的邊界條件下,其結構振動基頻約為7.5 Hz。

圖12 各測點x 方向振幅-頻率曲線Fig.12 Amplitude-frequency curve in x direction of each measurement point

可以注意到,在一階基頻后,其后續各階振動頻率受干擾產生擾動較為明顯,這可能是由于試驗過程中試驗環境受到了不同來源的干擾,如周邊電器、環境噪聲等。后續進行測試時可以選擇安靜時段,且對采集系統進行接地處理,降低電磁干擾的影響。

4 結論

1)可剛化充氣框架式太陽翼可實現柔性折疊,折疊體積小,不含機械鉸鏈,展開可靠性高。

2)可剛化充氣框架式太陽翼結構剛度和振動基頻高,且提高充氣管直徑可顯著提高充氣式太陽翼的結構剛度和振動基頻。在保持太陽翼總質量和其他部分尺寸不變的情況下,太陽翼充氣管直徑為140 mm 時,其振動基頻是相同面積和質量的鉸鏈式太陽翼的7.5 倍;充氣管直徑為200 mm 時,其振動基頻是相同面積和質量的鉸鏈式太陽翼的12.4 倍。

3)通過對所研制的振動試驗樣機(2 m×1.2 m)進行振動基頻的測試,其結構振動基頻約為7.5 Hz。