運輸包裝箱的多載荷減振設(shè)計研究

徐波濤，劉玉剛，方志開，呂景輝，喻新發(fā)

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

運輸是航天器壽命全周期的重要組成部分。當運輸全頻段中存在的穩(wěn)態(tài)激勵與衛(wèi)星-包裝箱的某一階固有頻率相等時，可能會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，共振會損壞衛(wèi)星上的振動敏感部件[1]。航天器運輸經(jīng)歷的是連續(xù)力學(xué)載荷，這種載荷的特點是以隨機振動為主（激勵頻率范圍約為5~200 Hz），兼有周期性載荷。另外，個別的沖擊超限載荷也不可避免[2]。參照衛(wèi)星設(shè)計的力學(xué)環(huán)境條件，衛(wèi)星界面處的振動激勵一般要求不大于0.6g，沖擊激勵不大于1.0g，在實際公路運輸中，振動要求一般都可滿足，但往往會記錄若干次超過1.0g的沖擊事件。

運載火箭發(fā)射飛行過程所產(chǎn)生的動力學(xué)環(huán)境是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)，而在衛(wèi)星地面運輸過程中受到振動載荷是衛(wèi)星設(shè)計中容易被忽略的環(huán)節(jié)。為了避免運輸載荷超限損傷航天器加速度敏感設(shè)備或元件，航天器運輸時一般在包裝箱內(nèi)設(shè)置了減振裝置。衛(wèi)星包裝箱系統(tǒng)因其可靠性、尺寸等方面的約束，一般采用固定基頻的減振系統(tǒng)[3-4]。

隨著型號數(shù)量的增長與型譜類型的增加，衛(wèi)星包裝箱種類和數(shù)量不可能無限制地同比例增加?？紤]降低成本，面向衛(wèi)星產(chǎn)品型譜的通用式包裝箱設(shè)計勢在必行。如何確定和選用一種適應(yīng)于不同振動激勵特性的減振方案，成為航天器運輸減振設(shè)計的關(guān)鍵點和技術(shù)難點[5-6]。文中針對這一問題，分析了目標產(chǎn)品的尺寸接口和質(zhì)量特性，對衛(wèi)星不同艙段運輸工況進行了振動特性分析和試驗，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種適用于3種衛(wèi)星艙體、4種運輸狀態(tài)通用的包裝箱減振分系統(tǒng)，并對裝載尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化。試驗數(shù)據(jù)表明，新型減振系統(tǒng)滿足航天產(chǎn)品的運輸設(shè)計要求。

1 承載接口設(shè)計

包裝箱針對三類不同衛(wèi)星的單個艙體進行設(shè)計，三類艙體運輸?shù)墓餐攸c是均裝有保持架，保持架的作用是保持艙體的結(jié)構(gòu)強度和精度。保持架結(jié)構(gòu)底部框架均為兩排通孔，與包裝箱承載面間使用緊固件連接，三類艙體保持架兩排孔的尺寸均不相同。為了MEOIGSOGEO三類衛(wèi)星保持架運輸支撐接口在同一個適配器的兼容布置，需要精確設(shè)計適配器尺寸。為確保和拓展批產(chǎn)載荷艙包裝箱的通用性，要求包裝箱內(nèi)的運載物承載適配器上必須配置通用化支撐接口，適應(yīng)各類衛(wèi)星運載物的力學(xué)約束條件，同時滿足上述三類保持架運輸支撐接口匹配要求，而且對于尺寸比較小的MEO艙體，任務(wù)要求既允許單個運輸，又要能夠兩個一起運輸。

在以上條件的基礎(chǔ)上，適配器還應(yīng)滿足以下約束：

1）尺寸不能超過運輸限制；

2）便于裝配、拆卸操作；

3）適配器整體剛度大于運載物低階模態(tài)剛度。

另外，在減振裝載臺面尺寸較大的情況下，為使振動傳感器準確表征系統(tǒng)整體減振后的加速度，傳感器應(yīng)布置于局部剛度較優(yōu)的位置。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式如圖1所示。

圖1 兼容式運輸支撐接口Fig.1 Compatible transportation support interface

2 裝載臺靜力分析

各類運輸載荷外形基本參數(shù)見表1。

約束及載荷施加：固定約束在裝載臺下方六個區(qū)域，并在黑色區(qū)域內(nèi)均勻加載合力1.6 t，如圖2所示。

當約束在裝載臺六個區(qū)域時，1.6 t載荷加上裝載臺自身重力作用，分析結(jié)果如圖3、圖4所示。其中，圖3為變形云圖，最大變形量為0.12 mm，小于5 mm。圖4為等效應(yīng)力云圖，在上下臺架部位最大應(yīng)力為92.2 MPa，裝載臺所用鋼材料σb= 5 20 MPa，裝載臺靜力安全系數(shù)達到5.6。

表1 各類運輸載荷外形基本參數(shù)對照表Tab.1 Comparison of basic parameters of various transported loads

圖2 裝載臺力學(xué)分析約束及載荷示意Fig.2 Mechanical analysis constraint and load indication of loading platform

圖3 變形分析云圖Fig.3 Chart of deformation distribution

圖4 Von Mises等效應(yīng)力分布云圖Fig.4 Chart of von mises stress distribution

3 減振方案設(shè)計

為了減小運輸過程振動沖擊對產(chǎn)品造成的影響，包裝箱減振器的選擇應(yīng)避免接近產(chǎn)品的一階基頻，從而保證經(jīng)減振后，傳遞到產(chǎn)品的振動和沖擊加速度滿足既定要求。

在繼承成熟減振方案的前提下，同時應(yīng)考慮節(jié)省包裝箱內(nèi)空間，因此選用包裝箱內(nèi)部減振的方式。根據(jù)裝載產(chǎn)品的不同配置，靈活調(diào)整減振模塊數(shù)量。

航天產(chǎn)品公路運輸?shù)木礁铀俣戎担╣rms）為0~0.2，小于產(chǎn)品要求的損傷閾值。要評估運輸振動對產(chǎn)品的影響，重點在運輸中偶發(fā)的力學(xué)事件上，例如過鐵路道口、減速帶、減速提示標線等造成的輸入[7]。從實地運輸試驗調(diào)查的沖擊超限數(shù)據(jù)可以看出，沖擊超限點全部發(fā)生在豎直方向（即Z向），數(shù)據(jù)見表2。因此，運輸減振方案優(yōu)先考慮豎直方向的減振[8]。圖5為航天器運輸包裝箱的方向示意，圖6為本文選用的鋼絲繩隔振器結(jié)構(gòu)形式。

表2 實測沖擊超限數(shù)據(jù)（Shocklog RD298）Tab.2 Measured impact data (Shocklog RD298)

圖5 航天器運輸包裝箱的方向示意Fig.5 Direction diagram of spacecraft transportation container

鋼絲繩隔振器垂向一階基頻fnz按照式（1）計算：

式中：kz：承載M下的靜剛度，N/mm

α：動剛度系數(shù)（平均動剛度系數(shù)α=1.5）

M：每組裝置承載質(zhì)量，kg

由式（1）可知，在未達到最大變形量的前提下，增大M可以降低減振系統(tǒng)的一階基頻。因此，隔振器的實際使用負載一般大于標稱負載。環(huán)狀鋼絲繩隔振器剛度與阻尼均非線性[9]，應(yīng)引入動剛度系數(shù)修正靜剛度，得到工作狀態(tài)的動剛度進行一階基頻計算，如果直接使用平均靜剛度將導(dǎo)致結(jié)果不準確[10]。

圖4給出的運輸支撐接口材料為高強度鋼材，質(zhì)量按720 kg計。減振器在裝載臺平面下布置，按圖4構(gòu)型應(yīng)該對稱布置，考慮到每個運輸狀態(tài)的每個艙體的減振效果應(yīng)接近，由此提出兩個備選方案，18個GGT220-108或20個GGT250-137。按最大包絡(luò)計算，總質(zhì)量m=2220 kg。考慮工作狀態(tài)時兩種隔振器的靜剛度，不考慮適配器彈性，又由M=m/n（其中，n為隔振器個數(shù)），可以分別得到兩種方案一階頻，見表3。

表3 備選隔振器型號參數(shù)Tab.3 Model parameters of alternative vibration isolators

又有系統(tǒng)振動傳遞率：

式中：λ為振動頻率比，λ=fi/fn；

fi為路面干擾頻率，fi=ω/(2π)；

fn為隔振系統(tǒng)固有頻率；

ζ為系統(tǒng)平均阻尼比，在 0.1到 0.2之間，取ζ=0.15；

T為振動傳遞率。

從降低一階縱向頻率的角度[4]，選用方案2的減振適用性優(yōu)于方案1。在方案2下，當λ≥1.4時（即輸入激勵大于8.2 Hz），進入減振區(qū)域；當λ≥3時，即輸入激勵頻率不低于17.4 Hz時，系統(tǒng)隔振效果在80%以上，系統(tǒng)振動隔離設(shè)計滿足設(shè)計要求。在λ≤1.4時，即輸入激勵小于8.2 Hz時，路面激勵會被隔振器放大，此時應(yīng)將運輸傳感器測得的峰值數(shù)據(jù)對比衛(wèi)星隨機振動試驗的幅值控制條件，判斷是否可能損傷衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

裝載臺在最大包絡(luò)下的減振布置方案確定為：裝載臺通過20個鋼絲繩減振器與包裝箱連接，并裝有兩個實時監(jiān)測加速度傳感器，一個ShockLog298振動與沖擊記錄儀，監(jiān)測產(chǎn)品運輸全程的振動狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 包絡(luò)減振布置方案Fig.7 Envelope damping arrangement

參考靜力分析一節(jié)中對系統(tǒng)施加的載荷和約束，對裝載臺上臺面進行振動傳遞率分析，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)振動傳遞率在路面激勵頻率在15 Hz左右時，系統(tǒng)隔振性能已達80%以上。其中，響應(yīng)數(shù)據(jù)采用的是圖4中振動測點處的響應(yīng)。利用有限元仿真分析表明，減振系統(tǒng)豎直方向的一階頻在5 Hz左右，比表3中的計算結(jié)果（5.8）稍小，這主要是由于裝載臺的臺面尺寸較大，剛度受到了削弱，在特定激勵下，裝載臺面下的等效隔振器數(shù)量減少，從而使單個隔振器等效承載增加造成的。

根據(jù)以上計算，在最大當量減振載荷滿足上述減振指標要求的基礎(chǔ)上，考慮任務(wù)需求，按單IGSO裝載、兩MEO裝載、單GEO以及單MEO裝載四種典型裝載模式快速便捷地設(shè)置調(diào)整隔振器布局，可以通過增減隔振器的數(shù)量來滿足不同載荷下的減振要求。

對于雙MEO和IGSO，可以共用20個隔振器的方案，減少隔振器的重復(fù)拆卸工作；用于GEO單艙運輸時，需要拆除內(nèi)側(cè)框架8處隔振器，采用12個隔振器安裝于外導(dǎo)軌下的方案；用于MEO單艙運輸時，需要拆除框架長度方向最外側(cè)8處隔振器，采用12個隔振器安裝于內(nèi)導(dǎo)軌下方案。在常規(guī)任務(wù)中，MEO單艙運輸并不常見，所以20個隔振器方案的通用性得到了保證。

4 試驗驗證

ShockLog298沖擊記錄儀采樣率為1000 Hz，記錄運輸過程中箱體內(nèi)的力學(xué)環(huán)境參數(shù)。待運輸結(jié)束后，把沖擊記錄儀中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，對采集的力學(xué)環(huán)境進行分析，以超過1g為限值，經(jīng)包裝箱系統(tǒng)減振前，3次超出振動限值；經(jīng)包裝箱系統(tǒng)減振后，1次超出振動限值。這說明減振系統(tǒng)工作有效，其中，減振后的超限點及其對應(yīng)減振前波形如圖8所示。

圖8 典型超限點時域信號圖（8 s）Fig.8 Time domain signal diagram of typical overrun point(8 s): a) before damping; b) after damping

根據(jù)振動超限瞬態(tài)信號特點，對運輸超限點進行沖擊響應(yīng)譜變換，得到結(jié)論：經(jīng)沖擊響應(yīng)譜分析，100 Hz以下時，其等效正弦振動量級不大于0.3585g，小于整星試驗量級0.6g；100 Hz以上時，其等效正弦振動量級小于 4g，小于星箭分離試驗中的沖擊響應(yīng)，該振動信號對整星無影響。

5 結(jié)論

根據(jù)航天器運輸環(huán)境特點，分析了目標產(chǎn)品的尺寸接口和質(zhì)量特性，確定和選用了一種適應(yīng)于不同載荷特性的減振方案。實現(xiàn)了一種適用于3種衛(wèi)星艙體、4種運輸狀態(tài)通用的包裝箱減振分系統(tǒng)，系統(tǒng)垂向頻率不高于5.8 Hz。運輸試驗數(shù)據(jù)表明新型減振系統(tǒng)對航天產(chǎn)品的減振效果滿足設(shè)計要求。

提出的減振系統(tǒng)可對 8.2 Hz以上的輸入頻率實現(xiàn)有效隔振，對于更低頻的振動信號，有必要進行進一步研究，通過運輸載具濾波、車速控制等途徑實現(xiàn)減振。