航天飛行器減振降噪方法研究

陳柯勛，王曉毅，薛輝

（1.北京強度環(huán)境研究所；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

航天飛行器減振降噪方法研究

陳柯勛1，王曉毅1，薛輝2

（1.北京強度環(huán)境研究所；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

為了解決航天飛行器易受振動、噪聲環(huán)境影響而發(fā)生故障的問題，本文設(shè)計了航天飛行器減振降噪方法，包括基于多種不同類型金屬減振器的減振方法、基于亥姆赫茲共鳴器的低頻噪聲降噪方法、基于聲學覆蓋層的中高頻降噪方法三個方面，該方法在軍民兩種減振降噪領(lǐng)域都有廣泛的應用前景。

航天飛行器；減振器；降噪方法；共鳴器

運載火箭、有效載荷結(jié)構(gòu)及儀器設(shè)備等航天飛行器，從點火至衛(wèi)星在軌運行階段要經(jīng)歷多種動力學環(huán)境，如發(fā)動機推力脈動和氣動噪聲載荷引起的結(jié)構(gòu)振動，發(fā)動機點火、關(guān)機與分離過程引起的沖擊以及起飛噪聲與氣動噪聲引起的內(nèi)聲場等。嚴酷的力學環(huán)境可能引起結(jié)構(gòu)失效、儀器設(shè)備故障等問題，甚至導致飛行失敗。美國NASA一項調(diào)查表明，發(fā)射后不久產(chǎn)生的航天器故障近50%是由發(fā)射階段的振動、沖擊和噪聲載荷引起的，因此開展航天飛行器減振降噪方法相關(guān)的研究具有重要意義。

1 航天飛行器減振降噪方法

為了降低航天器由于振動、噪聲而引起的故障發(fā)生率，設(shè)計了一個較為全面的航天飛行器減振降噪方法。其中，針對有效載荷受到的振動環(huán)境，提出利用不同類型金屬減振器來保持航天飛行器較好的減振特性；針對有效載荷受到的噪聲環(huán)境，從頻段的角度分別進行了低頻、中高頻降噪方法研究，針對性的提出了不同的降噪方法，包括基于亥姆赫茲共鳴器的低頻噪聲降噪方法、基于聲學覆蓋層的中高頻降噪方法。

1.1 基于多種不同類型金屬減振器的減振方法

航天飛行器是一個非常復雜的動力運行系統(tǒng)，由多種電子設(shè)備、慣性導航設(shè)備等組成，不同航天飛行器的組成部分與結(jié)構(gòu)均不同。因此不同類型航天飛行器的減振需求也不同。為了盡可能全面的滿足航天飛行器的減振需求，本文提出了基于多種不同類型金屬減振器的減振方法，主要包括套筒型金屬減振器、支座型金屬減振器、金屬緩沖器和金屬密封環(huán)四種金屬減振器件。這些器件可以單獨使用，也可以針對性的組合使用，具體組合方法視實際情況而定。

1.1.1 套筒型金屬減振器

套筒型金屬減振器為全金屬制品，由金屬減振墊和金屬結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，其中金屬減振墊為最要的減振功能元件，由金屬絲經(jīng)過特定的工藝過程制作成型，為振動系統(tǒng)提供剛度和阻尼，通過對減振墊的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及制備工藝參數(shù)的調(diào)整，可以使減振墊滿足特定的應用環(huán)境條件以及剛度、阻尼減振性能要求。

套筒型金屬減振器可達到與所選金屬相同的儲存壽命，而且在儲存期間能保證減振性能的穩(wěn)定性；環(huán)境適應性強，通過合適的選材可以適用于腐蝕性強的環(huán)境；在高低溫循環(huán)下，能夠保持穩(wěn)定的減振特性；導電性符合金屬的基本電化學定律，能夠有效解決設(shè)備接地問題。

1.1.2 支座型金屬減振器

支座型金屬減振器由金屬減振墊和機械結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，其中金屬減振墊為主要的減振阻尼功能元件，根據(jù)負載程度以及應用環(huán)境的區(qū)別，減振器提供剛度支撐的形式略有差異，部分系列由金屬減振墊提供剛度，部分系列由彈簧和金屬減振墊提供符合剛度。

支座型金屬減振器性能可控，能高效減振、隔沖；在高低溫環(huán)境下，能保證減振性能穩(wěn)定；貯存期長，環(huán)境適應性強，可以在海水、油脂、真空等惡劣環(huán)境中工作，是傳統(tǒng)橡膠構(gòu)件的理想替代品。

1.1.3 金屬緩沖器

金屬緩沖器由金屬緩沖墊和金屬結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，其中金屬緩沖墊是主要的緩沖功能部件，為彈性阻尼元件，通過特定的工藝過程將金屬彈簧絲編織成網(wǎng)狀后經(jīng)過冷壓定型，金屬緩沖裝置通過金屬緩沖墊金屬絲間的摩擦耗散能量，以減緩沖擊激勵對航天飛行器的影響，從而達到保護航天飛行器的作用。

金屬緩沖器主要緩沖功能部件均為金屬制品，因為耐高低溫、抗腐蝕、環(huán)境適應性強、貯存期長。沖擊量級能大幅度衰減近90%，可廣泛應用于減緩彈/箭級間爆炸分離時爆炸螺栓對箭體的沖擊。

1.1.4 金屬密封環(huán)

金屬密封環(huán)由金屬密封圈和支撐包裹層構(gòu)成，其中金屬密封環(huán)由金屬絲經(jīng)過特殊工藝壓制成型，具備較小的空隙率以及較高的支撐剛度。

金屬密封環(huán)適用于箭（彈）管路系統(tǒng)，在深低溫環(huán)境下應用金屬密封環(huán)以替代在低溫環(huán)境下密封性能差的傳統(tǒng)非金屬密封材料。

1.2 基于亥姆赫茲共鳴器的低頻噪聲降噪方法

針對航天飛行器中存在的低頻噪聲問題，本文提出基于亥姆赫茲共鳴器的低頻噪聲降噪方法。亥姆赫茲共鳴器由密閉的空腔通過較小的短管開口與外部空間相連而成，在共振頻率具有很強的吸聲能力，當亥姆赫茲共鳴器共振頻率與航天飛行器內(nèi)空腔模態(tài)頻率相匹配時，可降低該模態(tài)在外部激勵下的響應峰值。因此，亥姆赫茲共鳴器可以用于航天器空腔內(nèi)的低頻噪聲降噪，且對于單一頻率的噪聲降噪效果尤為明顯。正是由于這一特性，使用亥姆赫茲共鳴器可以實現(xiàn)不同組合頻率值的降噪，實現(xiàn)模塊化的設(shè)計。

目前市面上已有的亥姆赫茲共鳴器單個重量約100g，高度小于100mm，增重小于2%。通過大量的實驗證明，使用亥姆赫茲共鳴器降噪后，噪聲峰值可以降低3～6dB，因此基于亥姆赫茲共鳴器的低頻噪聲降噪方法可以被應用于航天飛行器中，降低內(nèi)噪聲環(huán)境，對于保護有效載荷和航天飛行人員的舒適度具有重要意義。

1.3 基于聲學覆蓋層的中高頻噪聲降噪方法

針對航天飛行器中存在的中高頻噪聲問題，本文通過分析中高頻聲學覆蓋層的降噪特性，提出基于聲學覆蓋層的中高頻頻噪聲降噪方法。聲學覆蓋層可以通過吸聲材料對內(nèi)聲場進行降噪，對航天飛行器內(nèi)腔噪聲環(huán)境進行控制，降低噪聲強度，保護航天飛行器的電子元器件、整體結(jié)構(gòu)不被破壞，特別是減小中高頻噪聲對關(guān)鍵部件的疲勞損壞，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。

聲學覆蓋層具有吸聲材料重量輕、吸聲性能好、成本低廉、材料表面處理工藝簡單、安裝工藝簡單等特點，目前市面上已有的聲學覆蓋層可以有100%、80%、50%多種鋪設(shè)狀態(tài)，材料的厚度約為50mm，增重小于2%。通過大量的實驗證明，使用聲學覆蓋層降噪后，噪聲峰值可以降低5dB左右，因此基于聲學覆蓋層的中高頻噪聲降噪方法同樣可以被應用于航天飛行器中，具有重要意義。

2 結(jié)語

本文針對航天飛行器易受振動環(huán)境和噪聲環(huán)境影響而容易發(fā)生故障的問題，設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)完整的航天飛行器減振降噪方法，可以有效的保護航天飛行器。該方法不僅可以應用于新型運載火箭及衛(wèi)星航天飛行器的減振與降噪過程中，還可以在民用減振降噪領(lǐng)域廣泛使用，具有廣泛的市場應用前景。

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