航天器大型天線振動(dòng)控制方案及其試驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100) (3 清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084) (4 西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

隨著航天器運(yùn)載能力和空間任務(wù)要求的提高，一些具有變結(jié)構(gòu)或變構(gòu)型特點(diǎn)、帶有大柔性部件的航天器不斷涌現(xiàn)。它們通常由剛度相對(duì)較大的航天器本體和太陽翼、網(wǎng)狀天線、展開桁架、機(jī)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(gè)航天器呈現(xiàn)分布式柔性特征。大型柔性航天器的在軌微振動(dòng)分析、試驗(yàn)及振動(dòng)控制成為航天器的一個(gè)重要研究方向[1-4]。

對(duì)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(tài)航天器的頻率越來越低，因此受到外部干擾力作用時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)幅值越來越大。與此同時(shí)，大型天線的性能指標(biāo)(如波束指向精度和穩(wěn)定度)往往很高，要求結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)足夠小，否則會(huì)影響到天線的收發(fā)品質(zhì)。因此，有必要研究大型天線的振動(dòng)控制問題。振動(dòng)控制技術(shù)的理論研究在其他工程應(yīng)用中已經(jīng)有較長的歷史和豐碩的成果，但針對(duì)航天器大型天線的應(yīng)用研究尚不多見。針對(duì)大型柔性可展開天線研究的文獻(xiàn)主要集中在展開過程動(dòng)力學(xué)分析、形面控制方法等方面，在振動(dòng)控制方面的文獻(xiàn)較少[4-10]。航天器天線的低頻、模態(tài)密集等特點(diǎn)使振動(dòng)控制難度大大增加，其他工程的成功經(jīng)驗(yàn)在航天器領(lǐng)域未必有效。一些理論相對(duì)成熟的振動(dòng)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(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)。

本文針對(duì)大型可展開環(huán)形天線，開展了振動(dòng)控制理論、仿真分析和地面試驗(yàn)驗(yàn)證研究。首先，介紹了針對(duì)大型環(huán)形天線研制的被動(dòng)阻尼器和主動(dòng)振動(dòng)控制方案；然后，將控制裝置安裝于實(shí)際天線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了控制效果的地面試驗(yàn)驗(yàn)證；最后，給出了試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果和對(duì)后續(xù)航天器大型天線振動(dòng)控制技術(shù)研究的建議?？蔀槲磥碚駝?dòng)控制技術(shù)在大型天線上的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 大型環(huán)形天線主、被動(dòng)振動(dòng)控制方案

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制主要分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩種，被動(dòng)振動(dòng)控制通過吸振、隔振、耗能等手段吸收結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，從而達(dá)到振動(dòng)抑制的目的。被動(dòng)振動(dòng)控制不需要外界能量輸入，利用材料本身能量耗散實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的控制，其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低、穩(wěn)定性高、可靠性好、魯棒性強(qiáng)，對(duì)高頻振動(dòng)抑制效果好。但被動(dòng)振動(dòng)控制方法靈活性較差，對(duì)突發(fā)環(huán)境適應(yīng)能力弱，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，在某些情況下達(dá)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(tài)的穩(wěn)定性，有必要進(jìn)行在軌主動(dòng)振動(dòng)控制。主動(dòng)振動(dòng)控制是一種通過控制方法設(shè)計(jì)作動(dòng)器，輸出控制力/力矩，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)抑制的有源控制。其中，控制方法包括比例-微分(PD)控制、極點(diǎn)配置、獨(dú)立模態(tài)控制、最優(yōu)控制、智能控制方法等，而常用的作動(dòng)器有壓電堆、音圈電機(jī)等。

由于大型環(huán)形天線結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)特性非常復(fù)雜，振動(dòng)控制實(shí)施難度很大。考慮到大型環(huán)形天線的特點(diǎn)，為了取得較好的控制效果，擬將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制兩種手段結(jié)合起來進(jìn)行振動(dòng)控制，針對(duì)不同部位分別采取被動(dòng)和主動(dòng)振動(dòng)控制措施，達(dá)到主、被動(dòng)協(xié)同控制的效果。如圖1所示，為了便于安裝和開展地面試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)阻尼器，其地面試驗(yàn)驗(yàn)證針對(duì)伸展臂(帶反射器配重)開展；在天線反射面環(huán)形桁架根部(即環(huán)形桁架與伸展臂連接處)實(shí)施主動(dòng)振動(dòng)控制作動(dòng)，其地面試驗(yàn)驗(yàn)證針對(duì)天線環(huán)形桁架開展。主動(dòng)振動(dòng)控制的作動(dòng)器位置選在天線環(huán)形桁架與伸展臂連接處，主要參考了前期的研究成果。文獻(xiàn)[8]研究認(rèn)為，大型環(huán)形天線在航天器浮動(dòng)邊界條件下的振型相對(duì)于天線伸展臂與航天器本體連接處固支狀態(tài)發(fā)生了質(zhì)的變化，其模態(tài)應(yīng)變能主要分布在天線環(huán)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(jìn)行主動(dòng)控制效果不理想。

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

1.1 被動(dòng)振動(dòng)阻尼器方案

針對(duì)大型天線伸展臂結(jié)構(gòu)研制被動(dòng)振動(dòng)阻尼器，以控制天線結(jié)構(gòu)低階整體模態(tài)的振動(dòng)響應(yīng)。共完成了兩種阻尼器方案的工程實(shí)現(xiàn)：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(shù)值模擬方法研究；進(jìn)行阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)和阻尼器布局優(yōu)化；完成兩種阻尼器研制，并開展單機(jī)試驗(yàn)；將阻尼器安裝到大型天線伸展臂結(jié)構(gòu)上進(jìn)行被動(dòng)減振效果的驗(yàn)證試驗(yàn)。

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(shè)計(jì)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(lì)載荷。同時(shí)，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(duì)金屬橡膠阻尼元件。螺栓的作用是把上下兩個(gè)連接件固連成一個(gè)整體，以保證剛度。這種設(shè)計(jì)能夠在保證剛度的同時(shí)，盡可能發(fā)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(jié)構(gòu)(見圖3)。黏彈阻尼材料在增大阻尼的同時(shí)，往往會(huì)帶來剛度下降，因此專門設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，輔助傳力路徑由金屬片和黏彈性阻尼層組成。其中，內(nèi)金屬片與下法蘭相連，外金屬片與上法蘭相連，每對(duì)金屬片之間粘接黏彈性阻尼材料，構(gòu)成約束阻尼結(jié)構(gòu)。在受彎矩作用時(shí)，內(nèi)外金屬片相互錯(cuò)動(dòng)引起黏彈阻尼材料發(fā)生剪切變形，從而耗散振動(dòng)能量。

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

1.2 主動(dòng)振動(dòng)控制方案

對(duì)于主動(dòng)振動(dòng)控制，擬在天線反射器環(huán)形桁架上實(shí)施，需要重點(diǎn)研究總體控制方案、控制策略和控制算法、傳感器和作動(dòng)器的布局優(yōu)化等問題。主要研制過程：開展振動(dòng)主動(dòng)控制的總體設(shè)計(jì)研究，給出控制器總體設(shè)計(jì)方案；開展控制策略和控制算法等研究，開展傳感器和作動(dòng)器的布局優(yōu)化研究；開展主動(dòng)控制的研制；在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，開展模擬實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行控制器電路的初步設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過天線反射器環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制試驗(yàn)驗(yàn)證其控制效果。

為了抑制天線環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)的擺動(dòng)模態(tài)響應(yīng)，在環(huán)形桁架兩根斜支撐桿之間的直桿上安裝一對(duì)音圈電機(jī)作動(dòng)器，音圈電機(jī)作動(dòng)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(dòng)器采用音圈電機(jī)，主要是考慮到該作動(dòng)器具有輸出位移大、輸出精度高、響應(yīng)速度快、直線驅(qū)動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特性。

圖4 主動(dòng)振動(dòng)控制方案示意圖Fig.4 Sketch of active vibration control scheme

2 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 被動(dòng)振動(dòng)阻尼器試驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行被動(dòng)阻尼器地面試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，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(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性。將整個(gè)試驗(yàn)裝置放在氣浮臺(tái)上，伸展臂與模擬配重通過零重力氣浮工裝支撐，實(shí)現(xiàn)零重力試驗(yàn)條件(見圖5)。通過安裝阻尼器前后伸展臂振動(dòng)響應(yīng)的變化來評(píng)估減振效果。

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

表1為模態(tài)測試結(jié)果，從數(shù)據(jù)可見，安裝阻尼器后天線伸展臂系統(tǒng)前2階頻率略有下降。在末端施加給定的強(qiáng)迫初始位移，釋放后比較阻尼器對(duì)響應(yīng)衰減的影響，自由振動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可知，從第5個(gè)振動(dòng)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(tài)試驗(yàn)結(jié)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(dòng)振動(dòng)控制試驗(yàn)驗(yàn)證

在進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制試驗(yàn)時(shí)，將天線反射面的環(huán)形桁架通過懸索懸吊,以模擬空間微重力環(huán)境。環(huán)形桁架與伸展臂連接處固支，作動(dòng)器安裝如圖8所示。利用擾動(dòng)激振器模擬干擾激勵(lì)(施加正弦激勵(lì))，利用激光位移計(jì)測量測點(diǎn)的位移響應(yīng)，接到dSPACE系統(tǒng)作為測量和反饋信號(hào)，利用作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，采用響應(yīng)向量重構(gòu)控制算法。將主動(dòng)振動(dòng)控制應(yīng)用于真實(shí)天線環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)。主動(dòng)控制效果如圖9所示，在主動(dòng)振動(dòng)控制啟動(dòng)前，測點(diǎn)最大位移為1.549 mm，在主動(dòng)振動(dòng)控制啟動(dòng)后，測點(diǎn)位移為0.119 mm，響應(yīng)幅值下降92.3%。

圖8 主動(dòng)振動(dòng)控制地面試驗(yàn)Fig.8 Active vibration control in ground test

圖9 主動(dòng)振動(dòng)控制效果Fig.9 Active vibration control results

3 結(jié)束語

本文針對(duì)大型環(huán)形天線提出了一種主、被動(dòng)振動(dòng)控制方案，研制了用于被動(dòng)振動(dòng)控制的黏彈性阻尼器、金屬橡膠阻尼器以及基于音圈電機(jī)的主動(dòng)振動(dòng)控制原理樣機(jī)，并利用實(shí)際天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減振效果的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝兩種被動(dòng)阻尼器后天線伸展臂振動(dòng)幅值下降分別達(dá)到78.7%和66%，采用主動(dòng)振動(dòng)控制后天線結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值下降92%，初步驗(yàn)證了該振動(dòng)控制方案的有效性。

從工程應(yīng)用的角度看，由于大型環(huán)形天線結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)特性極為復(fù)雜，振動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用仍存在一些難點(diǎn)。后續(xù)航天器大型天線振動(dòng)控制的研究應(yīng)關(guān)注以下問題：①加強(qiáng)大型復(fù)雜天線的動(dòng)特性試驗(yàn)技術(shù)和動(dòng)力學(xué)建模方法研究，準(zhǔn)確掌握大型天線的寬頻段動(dòng)力學(xué)特性；②目前的振動(dòng)控制方案多以懸臂梁等簡單結(jié)構(gòu)和單一模態(tài)抑制為主，后續(xù)應(yīng)著重解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多模態(tài)振動(dòng)控制問題；③加強(qiáng)被動(dòng)阻尼材料的低頻阻尼特性研究，加強(qiáng)阻尼新材料的應(yīng)用研究，深度挖掘被動(dòng)阻尼器向低頻拓展的潛力；④加強(qiáng)小型化、低功耗、嵌入式主動(dòng)振動(dòng)控制作動(dòng)器研究，為工程實(shí)施提供更高效、更可靠的控制手段。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 馬興瑞,韓增堯.衛(wèi)星與運(yùn)載火箭力學(xué)環(huán)境分析方法及試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2014

Ma Xingrun, Han Zhengyao. Analysis method and test technology for mechanical environment of satellite and launch vehicle[M]. Beijing, Science Press, 2014 (in Chinese)

[2] 段寶巖．柔性天線結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化與精密控制[M]．北京：科學(xué)出版社，2005

Duan Baoyan. Structural analysis, optimization and precision control of flexible antennas[M]. Beijing, Science Press, 2005 (in Chinese)

[3] 鄒元杰,王澤宇, 張志娟,等.航天器微振動(dòng)穩(wěn)態(tài)時(shí)域響應(yīng)分析方法[J].航天器工程,2012,21(6):37-42

Zou Yuanjie, Wang Zeyu, Zhang Zhijuan, et al. Analysis method of steady time-domain response for spacecraft micro-vibration[J]. Spacecraft Engineering, 2012, 21(6):37-42 (in Chinese)

[4] 劉麗坤,周志成,鄭鋼鐵,等.大型網(wǎng)狀可展開天線的動(dòng)力學(xué)與控制研究進(jìn)展[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2014,4(2):1-12

Liu Likun, Zhou Zhicheng, Zheng Gangtie, et al. Advance of dynamics and control of the satellite with large mesh deployable antenna[J]. Chinese Space Science and Technology, 2014,4(2):1-12 (in Chinese)

[5] 胡海巖,田強(qiáng),張偉,等.大型網(wǎng)架式可展開空間結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)與控制[J]．力學(xué)進(jìn)展，2013，43(4):390-414

Hu Haiyan,Tian Qiang,Zhang Wei,et al.Nonlinear dynamics and control of large deployable space structures composed of trusses and meshes[J].Advances in Mechanics, 2013，43(4):390-414 (in Chinese)

[6] 李團(tuán)結(jié),張琰,段寶巖. 周邊桁架可展開天線展開過程運(yùn)動(dòng)分析及控制[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,34(6):916-921

Li Tuanjie, Zhang Yan, Duan Baoyan. deployment kinematic analysis and control of hoop truss deployable antenna[J]. Journal of Xidian University(Natural Science), 2007, 34(6):916-921 (in Chinese)

[7] 柳翠翠,葛東明,鄧潤然,等.星載大型反射面天線的剛-柔-控一體化在軌振動(dòng)分析方法[J].深空探測學(xué)報(bào), 2017, 4(4):355-360

Liu Cuicui, Ge Dongming, Deng Runran, et al. Rigid-flexible-attitude control integrated in-orbit vibration analysis method for large satellite reflector antennas[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2017, 4(4):355-360 (in Chinese)

[8] 葛東明,鄒元杰,史紀(jì)鑫,等.星載大型反射面天線主動(dòng)振動(dòng)抑制建模分析方法[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(6): 593-597

Ge Dongming, Zou Yuanjie, Shi Jixin, et al. Active vibration suppression modeling and analysis for large satellite reflector antennas[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(6): 593-597 (in Chinese)

[9] 馬琳,董龍雷,張長輝.環(huán)形天線的動(dòng)力學(xué)特性分析及振動(dòng)控制[C]//2012年LMS中國用戶大會(huì). 比利時(shí)：LMS公司，2012

Ma Lin, Dong Longlei, Zhang Changhui. Dynamic characteristics analysis and vibration control for loop antenna[C]//2012 LMS China User Conference. Leuven,Belgium:LMS Corporation, 2012 (in Chinese)

[10] 張治君,徐明龍,邵闖.壓電作動(dòng)器在柔性環(huán)形天線結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2013,40(2):21-27

Zhang Zhijun, Xu Minglong, Shao Chuang. A piezoelectric actuator’s application to active control of vibration of flexible loop antenna structure[J]. Structure & Environment Engineering,2013,40(2):21-27 (in Chinese)