胡曉瀅,周春燕
(北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100081)
航天器上控制力矩陀螺(CMG)等部件的高速轉(zhuǎn)動(dòng)、大型可控構(gòu)件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)等,會(huì)使星體產(chǎn)生幅值較小的抖動(dòng)響應(yīng)。這種微幅值的振動(dòng)不會(huì)對(duì)航天器產(chǎn)生明顯影響,因此在過(guò)去常常會(huì)被忽略。但隨著對(duì)航天器指向精度、分辨率及穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高,微振動(dòng)的抑制逐漸成為研究的熱點(diǎn)之一。
根據(jù)振源的不同可以將隔振目的分為兩大類(lèi):當(dāng)振源就是有效載荷本身時(shí),隔振的目的是防止振動(dòng)傳遞到周?chē)h(huán)境,故需要在振源和基座間加入隔振器;當(dāng)振源來(lái)自外界環(huán)境時(shí),隔振則要使傳遞的振動(dòng)最小化。根據(jù)振動(dòng)控制方式的不同又可以將隔振分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。由于主動(dòng)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗大,所以目前更多采用被動(dòng)控制,其中在振源和被保護(hù)對(duì)象間引入隔振元件的方法,不需要外部能量輸入,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,因而應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的被動(dòng)控制方式包括阻尼耗能減振技術(shù)、隔振技術(shù)和吸振技術(shù)等。Harris等[1]和Rivin[2]對(duì)被動(dòng)隔振系統(tǒng)作了全面的闡述分析。
對(duì)于航天器來(lái)說(shuō),由于其應(yīng)用環(huán)境的特殊性,低頻、微幅的振動(dòng)都會(huì)影響航天器的穩(wěn)定性,故振動(dòng)控制的頻率范圍要覆蓋 0.2 Hz~1 kHz,振幅小至μm級(jí)[3]。航天器的地面微振動(dòng)測(cè)試中要求隔振器具有較高的承載力,可以在支撐航天器重力的情況下,模擬其在軌自由狀態(tài)實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻隔振,且隔振器的附加質(zhì)量、附加阻尼應(yīng)當(dāng)較低,不影響被測(cè)結(jié)構(gòu)的特性;然而隔振器的隔振范圍取決于線性隔振器的固有頻率,若想向低頻延伸隔振頻帶,會(huì)導(dǎo)致承載能力降低。傳統(tǒng)的阻尼減振技術(shù),阻尼材料對(duì)外部環(huán)境溫度和頻率敏感,容易老化,甚至發(fā)生蠕變,想拓寬隔振頻帶,必須加大系統(tǒng)的質(zhì)量。傳統(tǒng)的吸振技術(shù)能作用的有效吸振頻帶非常狹窄,且固定。因此,傳統(tǒng)的被動(dòng)控制方式均不適用于航天器微振動(dòng)隔振。
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器可分為兩種:一種是只有單一彈性元件的隔振器;一種是正負(fù)剛度元件并聯(lián)構(gòu)成的隔振器[6]。根據(jù)安裝使用方式,高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器又可分為底部支撐式和懸吊式;根據(jù)隔振方式又可分為被動(dòng)隔振、主動(dòng)隔振和混合隔振。
本文將對(duì)現(xiàn)有航天器微振動(dòng)試驗(yàn)中已應(yīng)用的以及具有應(yīng)用前景的高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器類(lèi)型進(jìn)行綜述。
單一彈性元件雖然存在隔振頻帶的局限性,但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、不需要外部能量輸入、易于安裝,常被用于航天器的微振動(dòng)隔振系統(tǒng)中。
SoftRide OmniFlex 隔振系統(tǒng)(如圖 1 所示)由CSA公司于2008年研制[7],它的主體是由多個(gè)彎曲環(huán)(flexure loop)隔振器單元組成。當(dāng)系統(tǒng)受到外界激勵(lì)時(shí),這種隔振器可通過(guò)變形耗散能量提供較大的阻尼,對(duì)微振動(dòng)的隔離具有良好效果。ORBCOMM第2代(OG2)航天器上應(yīng)用了這種隔振系統(tǒng)。
與彎曲環(huán)相似的鋼絲繩(wire rope)隔振器 (見(jiàn)圖2)也是一種良好的單一彈性隔振元件[8]。這種隔振器的主體是由鋼絲繩擰成的彎曲環(huán),具有體積小、附加質(zhì)量小、承載能力強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)外界激勵(lì)傳到隔振器,彎曲環(huán)通過(guò)較小的變形即可耗散大量能量。此外,這種隔振器除了縱向,還可以實(shí)現(xiàn)橫向隔振,因此常用于航天器等大型設(shè)備的隔振。
圖2 鋼絲繩隔振器Fig. 2 Wire rope isolator
此外,Kamesh等人以一種折疊的連續(xù)梁作為隔振元件設(shè)計(jì)了低頻空間平臺(tái)[9]。這種隔振平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于其靜剛度較大,可以支撐被隔振航天器結(jié)構(gòu),而動(dòng)剛度很小,因此可以有效拓寬隔振頻帶。Farshad Khorrami等人采用拱形管彈簧設(shè)計(jì)了一種三自由度被動(dòng)隔振系統(tǒng)[10]。這種隔振器自適應(yīng)能力強(qiáng),可以對(duì)振動(dòng)位移進(jìn)行有效隔離,設(shè)計(jì)中還配合機(jī)械約束機(jī)構(gòu)來(lái)限制航天器的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)受到 10 Hz縱向振動(dòng)和 20 Hz橫向振動(dòng)時(shí),該隔振器可分別降低50%的縱向、橫向響應(yīng)。
這類(lèi)隔振器通常由正剛度元件和負(fù)剛度元件并聯(lián)組成。與單一元件隔振器相比,負(fù)剛度的引入可以進(jìn)一步使得系統(tǒng)的總動(dòng)剛度接近0,而正剛度的存在又可以保證系統(tǒng)在大荷載作用下變形很小。當(dāng)受到外界振動(dòng)干擾后,通過(guò)正負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的微小變形消耗能量,保證被隔振物體不受或僅受到很小的影響。這種隔振器的隔振頻帶更寬,尤其可以實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻處的隔振。
基于歐拉屈曲梁的負(fù)剛度結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用于高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。NASA曾設(shè)計(jì)過(guò)一種基于屈曲梁的零剛度懸吊系統(tǒng)[11],如圖3所示。屈曲梁隔振器的引入一方面可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)垂向的剛度實(shí)現(xiàn)低頻隔振,模擬航天器自由在軌狀態(tài);另一方面還可以節(jié)省懸吊空間。在國(guó)內(nèi),劉興天等人提出了使用軸向受壓的斜置屈曲歐拉梁,提供負(fù)剛度和線性彈簧并聯(lián)構(gòu)成準(zhǔn)零剛度隔振器[12-13](如圖4所示)。通過(guò)動(dòng)力學(xué)理論分析可知,激勵(lì)振幅減小,系統(tǒng)的固有頻率也會(huì)減小,隔振效果會(huì)隨之提高,因此這種隔振器對(duì)微振動(dòng)的隔離有良好的效果。由于屈曲梁的設(shè)計(jì)會(huì)引入非線性,使得系統(tǒng)的響應(yīng)發(fā)生跳躍現(xiàn)象,故而針對(duì)這種非線性動(dòng)力學(xué)行為,高雙等人討論了不同參數(shù)對(duì)隔振器力傳遞率和跳躍頻率的影響[14],為實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
圖3 NASA 設(shè)計(jì)的零剛度懸吊系統(tǒng)Fig. 3 Zero-stiffness suspension system designed by NASA
圖4 軸向受壓的斜置屈曲歐拉梁為負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器Fig. 4 High static stiffness and low dynamic stiffness isolator with axial compressed oblique buckling Euler beams as the negative stiffness structure
Robertson等于2008年創(chuàng)新地提出了一種磁懸浮隔振系統(tǒng)[15-16],將磁鐵作為負(fù)剛度元件來(lái)降低系統(tǒng)的固有頻率。該系統(tǒng)可調(diào)性強(qiáng),且適用于大型結(jié)構(gòu)物的隔振。研究表明,這種隔振器的預(yù)期振動(dòng)擾動(dòng)的量級(jí)和所需系統(tǒng)的穩(wěn)健性會(huì)隨著系統(tǒng)的逐步穩(wěn)定呈非線性增長(zhǎng);當(dāng)受到外界激勵(lì)時(shí),在準(zhǔn)零剛度的平衡位置附近系統(tǒng)的共振頻率降低。因此該系統(tǒng)對(duì)低頻、超低頻振動(dòng)具有良好的隔振效果。在此基礎(chǔ)上,馬建國(guó)等將磁懸浮作動(dòng)器與氣囊隔振器并聯(lián)構(gòu)造出一款混合隔振器[17],其結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣囊除了可以進(jìn)一步提高隔離寬頻線譜振動(dòng)的性能,還能同實(shí)現(xiàn)不同載荷承載的自適應(yīng)性;磁性彈簧可以使負(fù)剛度達(dá)到很大的量級(jí),且當(dāng)外部荷載較大時(shí),其負(fù)剛度區(qū)域也很平穩(wěn)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種混合隔振器在低頻區(qū)域隔振效果良好,且在動(dòng)態(tài)輸出力下亦具有優(yōu)越的隔振性能?;谶@種設(shè)計(jì)原理,美空軍飛利浦實(shí)驗(yàn)室曾為航天器的微振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一款氣動(dòng)?電磁懸吊式隔振器,如圖6所示[18]。
圖5 磁懸浮?氣囊并聯(lián)混合隔振器Fig. 5 Hybrid vibration isolator with parallel magnetic suspension and airbag
圖6 氣動(dòng)?電磁懸吊式隔振器Fig. 6 Pneumatic-electromagnetic suspension isolator
為了進(jìn)一步優(yōu)化氣動(dòng)彈簧的性能,趙智等人在原有隔振器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了可調(diào)式非線性氣動(dòng)隔振器(如圖7(a)所示)[19]:當(dāng)承載質(zhì)量改變時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓,可以保證平衡位置始終具有準(zhǔn)零剛度特征。之后,Palomares等人又提出了一種雙氣動(dòng)線性制動(dòng)器作為負(fù)剛度機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)零剛度隔振器[20]:2個(gè)氣動(dòng)線性制動(dòng)器通過(guò)連桿與被隔振物體相連,氣動(dòng)彈簧作為正剛度機(jī)構(gòu)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)的固有頻率大大降低,其傳遞率也隨之下降,隔振效果良好。聞榮偉將主動(dòng)負(fù)剛度控制的洛倫茲力制動(dòng)器與空氣彈簧并聯(lián),構(gòu)造了一種穩(wěn)定的支承型隔振系統(tǒng)[21],設(shè)計(jì)了六自由度大型空氣彈簧隔振平臺(tái)模型(見(jiàn)圖7(b)),為大型氣浮隔振平臺(tái)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)也適用于航天器微振動(dòng)試驗(yàn)的支撐。
圖7 兩種氣動(dòng)彈簧隔振器:(a)可調(diào)式非線性氣動(dòng)隔振器;(b)六自由度大型空氣彈簧隔振平臺(tái)(b)Fig. 7 Two types of pneumatic spring vibration isolators: (a)adjustable nonlinear pneumatic vibration isolator; (b) a large-scale six-DOF pneumatic vibration isolation platform
被動(dòng)控制中一旦元件參數(shù)被確定,則很難實(shí)現(xiàn)剛度和阻尼的調(diào)節(jié),因此很難適應(yīng)不同工況。為了解決這個(gè)問(wèn)題,在被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)中引入主動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸成為近幾年研究的一個(gè)熱點(diǎn)。主動(dòng)控制方法較之被動(dòng)控制方法而言智能性更強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)全頻帶的振動(dòng)控制[22]。這種隔振方式可用于對(duì)振動(dòng)具有嚴(yán)格要求的控制系統(tǒng)中,故而常被引入航天器微振動(dòng)的隔振設(shè)計(jì)。主動(dòng)控制系統(tǒng)可以一邊檢測(cè)振動(dòng)環(huán)境,一邊根據(jù)檢測(cè)的反饋調(diào)節(jié)控制參數(shù)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行干擾和補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制。其中基于Stewart平臺(tái)的設(shè)計(jì)是一種常用的主動(dòng)控制方式。這種隔振器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多自由度的微振動(dòng)隔離及對(duì)載荷的精確定位。美國(guó)Honeywell公司開(kāi)發(fā)過(guò)一種由8個(gè)液壓?空氣作動(dòng)器組成的Stewart替代式隔振系統(tǒng)[23],該系統(tǒng)除了具有微振動(dòng)隔離的效果,還可以較好地控制航天器的搖晃模態(tài)。
在Stewart平臺(tái)的設(shè)計(jì)中,作動(dòng)器是主動(dòng)控制的核心部件。常用的作動(dòng)器除了液壓和氣動(dòng),還有壓電和電磁等類(lèi)型。比利時(shí)自由大學(xué)(ULB)研發(fā)的主動(dòng)隔振平臺(tái)[24](見(jiàn)圖8(a))采用壓電陶瓷作為作動(dòng)器和傳感器,除了可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隔振,還可以對(duì)平臺(tái)進(jìn)行定向操作。除了壓電陶瓷,還有使用音圈作為作動(dòng)器,如ULB開(kāi)發(fā)的軟主動(dòng)隔振平臺(tái)[25](見(jiàn)圖 8(b))。
圖8 ULB 研發(fā)的 2 種隔振平臺(tái): (a)壓電陶瓷主動(dòng)隔振平臺(tái)(b)軟主動(dòng)隔振平臺(tái)Fig. 8 Two types of active-control vibration isolation platforms developed by ULB: (a) active vibration isolation platform based on piezoelectric ceramic; (b)soft active vibration isolation platform.
隨著近年來(lái)高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器的研究發(fā)展,除了以上幾類(lèi)常見(jiàn)類(lèi)型,一些新型結(jié)構(gòu)的隔振器在航天器微振動(dòng)試驗(yàn)中顯現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
吳煥研究了一種碟形彈簧作為負(fù)剛度機(jī)構(gòu)的隔振器(如圖9所示)[26];通過(guò)理論計(jì)算得到了參數(shù)的設(shè)置范圍,并分析了動(dòng)力學(xué)特性的各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)各振性能的影響[27]。該系統(tǒng)屬于預(yù)變形類(lèi)高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器,當(dāng)激勵(lì)幅值增加時(shí),受擾動(dòng)的隔振器會(huì)表現(xiàn)出線性、軟化、半線性半軟化等狀態(tài),與等效線性系統(tǒng)相比,隔振性能大大提高。對(duì)該系統(tǒng)根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果加工了原理樣機(jī)并開(kāi)展了靜力學(xué)和振動(dòng)實(shí)驗(yàn),得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論基本吻合。這種隔振器與其他預(yù)變形類(lèi)隔振器相比,靜承載能力更高,適用于支撐型航天器微振動(dòng)隔振器的設(shè)計(jì)。
圖9 碟形彈簧為負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器Fig. 9 High static stiffness and low dynamic stiffness vibration isolator with disc spring as the negative stiffness structure
Izard等以傳統(tǒng)的三彈簧模型為基礎(chǔ),創(chuàng)新地提出一種特殊的多孔材料架構(gòu)(見(jiàn)圖10)[28]實(shí)現(xiàn)了三彈簧準(zhǔn)零剛度的效果。這種結(jié)構(gòu)具有剛度大、密度小的特點(diǎn),同時(shí)可以表現(xiàn)出單或雙穩(wěn)態(tài),在具有高靜剛度的同時(shí)其固有頻率大大降低。這種高靜剛度?低動(dòng)剛度的材料具有金屬泡沫的效果,適用于航天器微振動(dòng)試驗(yàn)的環(huán)境要求[29]。
圖10 以三彈簧模型為基礎(chǔ)的多孔材料架構(gòu):(a) 單個(gè)胞元的結(jié)構(gòu);(b) 單個(gè)胞元;(c) 多個(gè)胞元組成的材料架構(gòu)示意; (d) 單胞實(shí)物Fig. 10 Architecture of porous material based on three-spring model: (a) the structure of a single cell; (b) a single cell; (c) a schematic diagram of a material structure composed of multiple cells; (d) the single cell sample
周加喜等設(shè)計(jì)了利用2個(gè)對(duì)稱(chēng)的凸輪滾子[30-31]水平連接彈簧作為負(fù)剛度機(jī)構(gòu)隔振器,見(jiàn)圖11(a)。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用凸輪滾子的特性設(shè)計(jì)了準(zhǔn)零剛度撐桿構(gòu)建六自由度的隔振器平臺(tái)[32](圖11(b))以及一種扭轉(zhuǎn)準(zhǔn)零剛度隔振器[33](利用4個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的凸輪滾子作為負(fù)扭轉(zhuǎn)剛度,中間是橡膠作為正剛度機(jī)構(gòu))。研究發(fā)現(xiàn)這種扭轉(zhuǎn)隔振器對(duì)傳遞扭矩的偏離非常敏感,因此目前這種隔振器只能應(yīng)用在傳遞扭矩不變的情況下。Wang K等在此模型基礎(chǔ)上將4個(gè)對(duì)稱(chēng)的滾輪改成了三凸輪滾子結(jié)構(gòu)[34],結(jié)合碟形彈簧作為支撐,與滾子接觸作為負(fù)剛度機(jī)構(gòu)。盡管制造裝備過(guò)程的誤差無(wú)法避免,但是通過(guò)控制方向和誤差量級(jí)可以保證隔振器的性能。這種凸輪滾子隔振器的優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)微振動(dòng)十分敏感,選擇合適的凸輪滾子半徑,可以保證系統(tǒng)在加上被隔振物體后,變形大而剛度小,在低頻區(qū)域隔振效果良好。通過(guò)動(dòng)態(tài)分析發(fā)現(xiàn)這種隔振器的跳躍頻率與阻尼的種類(lèi)有密切關(guān)系[35],因此在航天器微振動(dòng)試驗(yàn)中選擇合適的阻尼和凸輪滾子參數(shù)對(duì)于提高該隔振器的隔振效果有很大作用。
圖11 凸輪滾子機(jī)構(gòu)高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器結(jié)構(gòu)示意(a)和基于凸輪滾子機(jī)構(gòu)的六自由度的隔振器平臺(tái)Fig. 11 Cam-roller mechanism with high static stiffness and low dynamic stiffness, and six-degree-of-freedom vibration isolator platform based on cam-roller mechanism
為了進(jìn)一步提高隔振系統(tǒng)的性能,時(shí)滯系統(tǒng)易于調(diào)節(jié)的特征也被應(yīng)用于一些隔振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。徐鑒等在傳統(tǒng)三彈簧的高靜?低動(dòng)剛度結(jié)構(gòu)中引入了時(shí)滯反饋控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖12所示[36-37]。在此基礎(chǔ)上,李東海等對(duì)這一隔振器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,結(jié)果顯示,在控制參數(shù)范圍內(nèi),受控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)更為優(yōu)越[38],為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。因此,在航天器微振動(dòng)試驗(yàn)中可考慮引入時(shí)滯系統(tǒng)來(lái)提高隔振效果。此外,非線性能量阱[39]也是一種可以引入航天器隔振系統(tǒng)的裝置。非線性能量阱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,附加質(zhì)量小,且可以自適應(yīng)航天器隔振系統(tǒng),在外界激勵(lì)下耗散能量的效果較好,具有提高航天器振動(dòng)抑制效果的潛能。
圖12 具有時(shí)滯反饋控制的高靜剛度?低動(dòng)剛度單向隔振器Fig. 12 High static stiffness and low dynamic stiffness unidirectional vibration isolator with time-delay feedback control
高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器可以克服線性隔振器難以滿足低頻隔振要求的缺陷,同時(shí)保持較大的承載能力,是振動(dòng)控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。但由于其自身結(jié)構(gòu)上的一些特點(diǎn)限制了其發(fā)展及工程應(yīng)用,主要包括負(fù)剛度結(jié)構(gòu)引起的不穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)參數(shù)難以調(diào)節(jié)等。今后可以在以下幾個(gè)方面繼續(xù)開(kāi)展研究:
1)針對(duì)引入負(fù)剛度給系統(tǒng)帶來(lái)的不穩(wěn)定性進(jìn)行理論研究,包括非線性的主共振、亞諧共振和超諧共振及分叉,并進(jìn)行過(guò)載和欠載條件下的動(dòng)力學(xué)分析,來(lái)相應(yīng)提高隔振性能;
2)針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)難調(diào)節(jié)問(wèn)題,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使系統(tǒng)可以適應(yīng)不同載荷不同激勵(lì)多自由度下的隔振;
3)基于現(xiàn)有的隔振結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論,進(jìn)行新型智能被動(dòng)隔振材料的研制;
4)針對(duì)航天器的特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有的隔振器進(jìn)行改進(jìn),將高靜剛度?低動(dòng)剛度隔振器應(yīng)用于工程實(shí)際。