航天器鐵路運(yùn)輸中的大承載低頻減振技術(shù)

馬海龍，車臘梅，李霖圣，譙 珊，李金柱

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

0 引言

運(yùn)輸是航天器發(fā)射前的重要工作環(huán)節(jié)。國內(nèi)航天器的運(yùn)輸方式主要包括公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸以及航空運(yùn)輸，其中，鐵路運(yùn)輸以其承載能力大、成本低、過程安全可靠等優(yōu)點(diǎn)得到較多應(yīng)用。為保證運(yùn)輸過程滿足航天器產(chǎn)品的環(huán)境需求，需配套特制航天器運(yùn)輸包裝箱，要求包裝箱具備減振、溫濕度控制、充氮壓力控制以及潔凈度保障等功能。尤其需要關(guān)注的是，運(yùn)輸過程中的力學(xué)環(huán)境對(duì)航天器產(chǎn)品安全、裝配精度、活動(dòng)部件展開可靠性等有重要影響，是衛(wèi)星壽命剖面中的關(guān)鍵影響因素。

綜合國內(nèi)主要航天器研制單位對(duì)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)研究，鐵路運(yùn)輸過程中的加速度響應(yīng)以低頻為主，通常在18 Hz 以下。常用的鋼絲繩減振方式基頻通常在25 Hz 左右，難以對(duì)低頻加速度響應(yīng)進(jìn)行有效減振。與鋼絲繩減振相比，空氣彈簧具有良好的低頻減振特性，被廣泛應(yīng)用于鐵路高速列車、公路精密運(yùn)輸平板車等運(yùn)輸工具，也可為航天器運(yùn)輸?shù)牡皖l減振提供借鑒。近年來，各類航天器研制任務(wù)不斷增加，且隨著對(duì)大質(zhì)量、高精度、高靈敏度航天產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)，迫切需要一種具有較強(qiáng)通用性的高性能減振方式來滿足航天產(chǎn)品的運(yùn)輸需求。

本文著眼于大型航天器鐵路安全可靠運(yùn)輸，從運(yùn)輸狀態(tài)、裝載條件、減振特性等方面進(jìn)行分析，研究不同類型減振器的特性和使用方法，設(shè)計(jì)通用模塊化復(fù)合減振單元，并在此基礎(chǔ)上開展組件級(jí)和整星級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 鐵路運(yùn)輸條件分析

1.1 航天器運(yùn)輸裝載要求

鐵路運(yùn)輸過程中的力學(xué)振動(dòng)條件是影響航天器產(chǎn)品安全可靠性的重要因素之一。尤其對(duì)于大型航天器而言，其具有質(zhì)量大、體積大且安裝精密產(chǎn)品多等特點(diǎn)，對(duì)運(yùn)輸過程中的力學(xué)振動(dòng)環(huán)境要求極高。大型航天器高度方向尺寸通常超過5.5 m，豎直狀態(tài)下難以實(shí)施整體運(yùn)輸，為保證其運(yùn)輸狀態(tài)整體性，一般采用橫向運(yùn)輸方式。如圖1 所示，橫向運(yùn)輸狀態(tài)下，航天器與可翻轉(zhuǎn)L 梁進(jìn)行安裝固定，航天器連同L 梁、安裝支架等工裝的總質(zhì)量通常在4500～8500 kg；為保障航天器運(yùn)輸過程中力學(xué)環(huán)境滿足要求，須在L 梁與包裝箱之間設(shè)置減振器。而減振器的性能對(duì)航天器鐵路運(yùn)輸過程中的力學(xué)條件及安全性有著重要影響，通常要求經(jīng)減振后在衛(wèi)星輸入界面水平方向綜合加速度≤0.4，垂直方向綜合加速度≤0.6，對(duì)于部分高精密光學(xué)相機(jī)、活動(dòng)部件等產(chǎn)品沖擊加速度響應(yīng)≤3。

圖1 大型航天器鐵路運(yùn)輸裝載狀態(tài)Fig. 1 Loading state of large spacecraft in railway transport

1.2 鐵路運(yùn)輸振動(dòng)分析

鐵路運(yùn)輸過程中軌道上的不平順，如道岔、接頭、坑洼等，以及起動(dòng)、制動(dòng)等操作均會(huì)引起振動(dòng)，振動(dòng)形式包括隨機(jī)振動(dòng)和沖擊，如圖2 所示。本文通過對(duì)“風(fēng)云三號(hào)”“高分五號(hào)”等多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的鐵路運(yùn)輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得航天器鐵路運(yùn)輸過程中的隨機(jī)振動(dòng)加速度頻譜包絡(luò)曲線，如圖3 所示。

圖2 鐵路運(yùn)輸中的典型振動(dòng)形式Fig. 2 Typical vibration modes of railway transportation

圖3 航天器鐵路運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)頻譜Fig. 3 Spectrum of random vibration in railway transport of spacecraft

從圖3 可以看出，運(yùn)輸過程中3 個(gè)方向的振動(dòng)以垂向最大，且低頻段振動(dòng)較大。這與已發(fā)表文獻(xiàn)的描述基本一致。鐵路運(yùn)輸過程中的沖擊具有很大的不確定性，通常發(fā)生在車輛起動(dòng)、制動(dòng)以及車輛編組換車等時(shí)段，且沖擊量值通常會(huì)超過3。圖4為鐵路運(yùn)輸過程中典型的沖擊響應(yīng)譜，可以看到?jīng)_擊響應(yīng)以低頻為主，主要振動(dòng)頻率多集中在10 Hz、22 Hz 左右。為保證航天器運(yùn)輸安全，常將光學(xué)相機(jī)、太陽電池陣等精密產(chǎn)品單獨(dú)運(yùn)輸，發(fā)射前再與整器重新組裝，這將嚴(yán)重影響發(fā)射場(chǎng)工作效率。

圖4 航天器鐵路運(yùn)輸?shù)湫蜎_擊響應(yīng)譜Fig. 4 Typical shock response spectrum in railway transport of spacecraft

1.3 運(yùn)輸減振控制

圖5 所示為目前國內(nèi)航天器運(yùn)輸中降低沖擊響應(yīng)時(shí)主要采用的鋼絲繩減振器。該類減振器具有能多向隔振緩沖、安裝方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；但同時(shí)存在承載各向異性、固有頻率高、阻尼小等缺點(diǎn)，使用過程中通常會(huì)產(chǎn)生放大響應(yīng)，即減振器上方測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)較減振器下方測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)略有放大，其典型時(shí)域曲線如圖6 所示。

圖5 航天器運(yùn)輸常用鋼絲繩減振器Fig. 5 Common wire rope shock absorber in transport of spacecraft

圖6 鋼絲繩減振器減振前后的加速度放大現(xiàn)象Fig. 6 Acceleration amplification phenomenon of wire rope shock absorber before and after vibration reduction

由此可見，在鐵路運(yùn)輸過程中，傳統(tǒng)鋼絲繩減振器的減振性能一般：當(dāng)振動(dòng)輸入量級(jí)較大時(shí)，減振后力學(xué)響應(yīng)可能仍不滿足航天器產(chǎn)品運(yùn)輸要求，存在安全隱患。

2 低頻大阻尼減振單元設(shè)計(jì)

2.1 減振特性分析

針對(duì)傳統(tǒng)鋼絲繩減振器減振前后的加速度放大問題，開展高性能減振器設(shè)計(jì)。圖7 所示為典型單自由度阻尼振動(dòng)傳遞特性曲線，圖中，為減振系統(tǒng)的固有頻率，為激勵(lì)輸入頻率，當(dāng)(/)≥1.414 時(shí)，輸入激勵(lì)方可進(jìn)入減振衰減；當(dāng)(/)≥3時(shí)，系統(tǒng)振幅縮減80%。阻尼比可以表征減振系統(tǒng)傳遞率，以共振頻率處的傳遞率為例，的數(shù)值越小傳遞率越高，即放大越大，當(dāng)=0.1、0.2、0.3 時(shí)，傳遞率分別為5.123、2.733、1.995。

圖7 典型單自由度阻尼振動(dòng)傳遞特性曲線Fig. 7 Transfer characteristics of typical single degree-offreedom damping vibration

由此可見，高性能減振系統(tǒng)需具備較低的固有頻率和合適的阻尼比。當(dāng)＞0.3 時(shí)，傳遞率下降并不明顯，且減振系統(tǒng)對(duì)≥1.414頻率范圍的減振效果將會(huì)下降，為了獲取良好的減振性能，阻尼比通常在0.2～0.3 區(qū)間。

2.2 低頻大阻尼減振單元設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)鋼絲繩減振器，空氣彈簧減振器具有固有頻率低、承載范圍寬、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，可通過調(diào)節(jié)充壓壓力適應(yīng)不同承載需求，且與傳統(tǒng)鋼絲繩減振器通常采用的“單一定制式”設(shè)計(jì)相比，具有更好的通用性。為此，本文開展基于空氣彈簧的大承載低頻大阻尼減振技術(shù)研究以及高性能大承載通用減振單元設(shè)計(jì)。該減振單元采用ContiTech 品牌SZ100-11 型袖式空氣彈簧進(jìn)行承載設(shè)計(jì)，彈簧外形如圖8 所示，單個(gè)彈簧固有頻率在1.8～2.0 Hz 區(qū)間，300～800 kPa 的充壓條件下可具備280～780 kg的承載能力。

圖8 SZ100-11 型袖式空氣彈簧Fig. 8 SZ100-11 sleeve air spring

減振器阻尼的實(shí)現(xiàn)方式主要包括摩擦阻尼和黏滯阻尼。傳統(tǒng)鋼絲繩以摩擦阻尼為主，在不增加額外阻尼的情況下，所實(shí)現(xiàn)的阻尼特性相對(duì)較弱（阻尼比通常＜0.15），在低頻區(qū)域（≤1.414）有明顯放大效應(yīng)，不利于有效減振。液壓阻尼器和橡膠阻尼器是典型的黏滯阻尼器。黏滯阻尼與相對(duì)運(yùn)輸速度成正比，即速度低時(shí)阻尼很小，難以發(fā)揮阻尼特性，故無法對(duì)低頻振源進(jìn)行有效阻隔，且這種動(dòng)態(tài)阻尼很難量化控制。

綜上所述，在采用空氣彈簧進(jìn)行減振單元設(shè)計(jì)時(shí)，提升其阻尼特性成為關(guān)鍵。本文借鑒車輛空氣減振系統(tǒng)中的空氣阻尼，通過引入附加氣室（結(jié)構(gòu)如圖9 所示）提升減振單元的阻尼特性。

圖9 空氣彈簧附加氣室結(jié)構(gòu)示意Fig. 9 Schematic diagram of air spring with attached air chamber

綜合鐵路運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境特性、減振需求，以及可靠、通用等實(shí)際需求，減振單元需實(shí)現(xiàn)以下功能：1）具有較低的固有頻率和較好的大阻尼特性，綜合圖3、圖4 的鐵路運(yùn)輸振動(dòng)特性，首要需減小垂向振動(dòng)，固有頻率應(yīng)小于10/1.414=7 Hz，阻尼比應(yīng)在0.2～0.3 區(qū)間；2）具有良好的通用性，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通用分布式承載，以適應(yīng)大范圍承載需求；3）具有高可靠性，在空氣減振模式失效時(shí)可使用鋼絲繩減振實(shí)現(xiàn)同等減振性能。

減振單元由減振模塊和空氣彈簧氣路控制模塊組成。其中減振模塊封裝狀態(tài)及內(nèi)部組成如圖10所示，包括安裝板、基板和軟封裝等，模塊內(nèi)部安裝有空氣彈簧（每個(gè)減振模塊安裝有4 只SZ100-11 型袖式空氣彈簧）、鋼絲繩減振組件、位移傳感器等部件，其中鋼絲繩組件通過中心彈性限位軸套組件及豎直力位限位組件與安裝板進(jìn)行連接，相對(duì)位置關(guān)系如圖10(b)、(c)所示。減振模塊具備空氣彈簧減振和鋼絲繩減振2 種工作模式，參見圖10(c)：控制系統(tǒng)通過位移傳感器部件自動(dòng)控制空氣彈簧充放氣，空氣彈簧充壓狀態(tài)下，安裝板與鋼絲繩減振組件分離，最大間隙25 mm，由空氣彈簧起減振作用；空氣彈簧放氣狀態(tài)下，安裝板與鋼絲繩減振組件壓合，由鋼絲繩減振組件起減振作用。

圖10 減振模塊主要組成Fig. 10 The main components of the vibration reduction module

空氣彈簧的氣路控制原理如圖11 所示，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥1、節(jié)流閥2 的口徑可對(duì)空氣彈簧與氣容間的氣體流速進(jìn)行控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)空氣彈簧阻尼的目的。單個(gè)減振單元設(shè)計(jì)承載范圍1120～3120 kg，額定承載為2240 kg（每個(gè)空氣彈簧的理想工作承載為560 kg，單個(gè)減振單元共4 個(gè)空氣彈簧）。

圖11 空氣彈簧氣路控制原理Fig. 11 The air path control principle of air spring

3 組件級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)狀態(tài)

1）試驗(yàn)件狀態(tài)

對(duì)減振單元進(jìn)行組件級(jí)振動(dòng)性能測(cè)試，試驗(yàn)件狀態(tài)如圖12 所示，減振單元安裝1000 kg 配重，配重與安裝板采用固定連接，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)樣件采用2 種不同減振模式，即空氣彈簧減振和鋼絲繩減振。分別在配重及減振模塊基板安裝振動(dòng)傳感器1和振動(dòng)傳感器2，以監(jiān)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)。

圖12 減振單元組件級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)件狀態(tài)Fig. 12 The vibration test condition of vibration reduction unit in assembly level

2）振動(dòng)試驗(yàn)條件

采用200 kN 振動(dòng)臺(tái)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行正弦振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1 所示。共進(jìn)行6 組試驗(yàn)，其中空氣彈簧減振模式按節(jié)流閥開度（0.25 即表示按0.25 倍口徑尺寸打開閥門）設(shè)置5 組工況，鋼絲繩減振模式下進(jìn)行1 組試驗(yàn)。試驗(yàn)所使用振動(dòng)臺(tái)為電磁型振動(dòng)臺(tái)，正弦推力200 kN、隨機(jī)推力160 kN，綜合試驗(yàn)臺(tái)能力及試驗(yàn)需求參GJB 150.16A—2009。

表1 樣件正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件Table 1 Sinusoidal vibration test conditions for sample

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樣件正弦振動(dòng)試驗(yàn)不同頻率下的振動(dòng)響應(yīng)及位移曲線如圖13 和圖14 所示，2 種不同減振模式均在共振點(diǎn)處具有明顯放大，且鋼絲繩減振模式放大效應(yīng)明顯高于空氣彈簧減振模式，驗(yàn)證了上述分析中鋼絲繩減振器共振頻率高、阻尼小的特性，曲線符合典型單自由度阻尼振動(dòng)傳遞特性?？梢钥吹?，空氣彈簧減振模式的基頻約為4.63 Hz，鋼絲繩減振模式的基頻約為20.04 Hz，則可按式(1)進(jìn)行計(jì)算得到，空氣彈簧減振模式下，不同節(jié)流閥開度下共振點(diǎn)處系統(tǒng)響應(yīng)與激勵(lì)振幅比在1.97～2.88 區(qū)間；鋼絲繩減振模式下，共振點(diǎn)處系統(tǒng)響應(yīng)與激勵(lì)振幅比為4.28。根據(jù)單自由度阻尼振動(dòng)共振點(diǎn)處傳遞特性得出，空氣彈簧減振模式的阻尼比在0.18～0.29 區(qū)間，鋼絲繩減振模式的阻尼比為0.12。

圖13 減振單元振動(dòng)試驗(yàn)加速度響應(yīng)曲線Fig. 13 Curve of acceleration response of the vibration reduction unit in vibration test

圖14 減振單元振動(dòng)試驗(yàn)位移響應(yīng)曲線Fig. 14 Curve of displacement response of the vibration reduction unit in vibration test

試驗(yàn)結(jié)果表明，相比鋼絲繩減振模式，空氣彈簧減振模式有效作用頻率范圍下限更低，且共振頻率處放大系數(shù)更小，通過調(diào)節(jié)空氣彈簧與氣容間的氣體通徑尺寸可實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧阻尼特性的調(diào)節(jié)。

4 整星跑車試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 衛(wèi)星裝載狀態(tài)

采用某典型3000 平臺(tái)衛(wèi)星進(jìn)行整星跑車試驗(yàn)，衛(wèi)星與包裝箱內(nèi)L 梁進(jìn)行連接，L 梁通過5 組減振單元與包裝箱箱底進(jìn)行安裝固定，衛(wèi)星裝載運(yùn)輸狀態(tài)及5 組減振單元布局如圖15 所示。該衛(wèi)星重3074 kg，以衛(wèi)星與L 梁短邊端連接面為基準(zhǔn)，質(zhì)心橫向距離為1680 mm，除衛(wèi)星外，L 梁重4500 kg，整個(gè)運(yùn)輸減振系統(tǒng)重7574 kg。

圖15 衛(wèi)星裝載狀態(tài)及減振單元布局Fig. 15 The layout of whole satellite and vibration reduction units

本次鐵路跑車試驗(yàn)采用NX70 平板車，包裝箱裝載狀態(tài)如圖16 所示，平板車除裝載整星運(yùn)輸包裝箱外還載有發(fā)電機(jī)箱，并一端連接儀器車，儀器車內(nèi)放置力學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備和包裝箱監(jiān)控設(shè)備。跑車路線為上海至天津。

圖16 跑車試驗(yàn)包裝箱裝載狀態(tài)Fig. 16 The loading status of the packing case for railway transport test

4.2 力學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳感器

本次跑車試驗(yàn)，振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備為L(zhǎng)MS SCL，測(cè)試計(jì)算機(jī)為Zbook 工作站，測(cè)試分析軟件為L(zhǎng)MS Testlab 2 019.1 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，采樣頻率設(shè)為1600 Hz。試驗(yàn)中共布設(shè)23 個(gè)三向加速度傳感器（型號(hào)規(guī)格Kistler 8763B500BB），測(cè)點(diǎn)布局見表2。

表2 加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布局Table 2 Locations of the acceleration sensors for point measurements

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

在相同量級(jí)振動(dòng)輸入條件下，不同減振模式，典型測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1#、6#、22#）的加速度響應(yīng)曲線如圖17、圖18、圖19 所示。從圖中可以看出，當(dāng)平板車橫向、垂向、縱向（、、向）最大振動(dòng)響應(yīng)分別為0.16、0.37、0.12時(shí)，空氣彈簧減振模式下，星箭連接環(huán)處的對(duì)應(yīng)最大加速度響應(yīng)分別為0.04、0.025、0.03，分別降低約75%、93%、75%，各向減振效果顯著。鋼絲繩減振模式下，當(dāng)平板車橫向、垂向、縱向最大振動(dòng)響應(yīng)分別為0.13、0.26、0.12時(shí)，星箭連接環(huán)處的對(duì)應(yīng)最大加速度響應(yīng)分別為0.05、0.07、0.10，分別降低約61%、73%、16%，縱向減振效果不明顯。通過數(shù)據(jù)分析可知，由于減振單元安裝板與鋼絲繩減振組件之間增加了彈性阻尼墊、彈性軸套等裝置，其阻尼特性有了一定的改善，與圖6 所示傳統(tǒng)鋼絲繩減振模式的減振后放大效應(yīng)相比，減振效果明顯。

圖17 不同減振模式下典型測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線（橫向）Fig. 17 Response curves under typical road conditions in X direction(horizontal direction) in different vibration reduction modes

圖18 不同減振模式下典型測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線（垂向）Fig. 18 Response curves under typical road conditions in Y direction(vertical direction) in different vibration reduction modes

圖19 不同減振模式下典型測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)曲線（縱向）Fig. 19 Response curves under typical road conditions in Z direction(longitudinal direction) in different vibration reduction modes

以8#、12#測(cè)點(diǎn)的典型振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)為例，對(duì)不同減振模式下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行頻域分析，結(jié)果如圖20、圖21、圖22 所示?？梢钥闯觯諝鈴椈蓽p振模式在橫向、垂向、縱向（、、向）分別在15、8、11 Hz 以后頻段具備減振效果，鋼絲繩減振模式在橫向、垂向、縱向分別在36、20、24 Hz 以后頻段具備減振效果，即空氣彈簧減振模式的有效減振頻率范圍下限更低，與組件級(jí)試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖20 典型振動(dòng)響應(yīng)頻域分析（橫向）Fig. 20 Frequency-domain analysis of typical vibration response in X direction(horizontal direction)

圖21 典型振動(dòng)響應(yīng)頻域分析（垂向）Fig. 21 Frequency-domain analysis of typical vibration response in Y direction(vertical direction)

圖22 典型振動(dòng)響應(yīng)頻域分析（縱向）Fig. 22 Frequency-domain analysis of typical vibration response in Z direction(longitudinal direction)

5 結(jié)束語

本文針對(duì)鐵路運(yùn)輸過程中傳統(tǒng)鋼絲繩減振器難以進(jìn)行有效減振的問題，基于空氣彈簧良好的低頻減振特性，采用空氣阻尼控制方法開展大承載低頻大阻尼減振技術(shù)研究，并設(shè)計(jì)了一款承載范圍寬、承載能力大并具有良好通用性的復(fù)合減振單元。該單元具備空氣彈簧、鋼絲繩2 種減振模式，其中空氣彈簧減振模式的有效減振頻率范圍下限更低、阻尼比更高，阻尼比可在0.18～0.29 間調(diào)節(jié)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼絲繩減振器。而且該減振單元可通過空氣彈簧內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)滿足對(duì)不同質(zhì)量特性產(chǎn)品的承載，對(duì)鐵路運(yùn)輸不同航天器產(chǎn)品具普遍適用性，其減振效果經(jīng)過整星跑車試驗(yàn)驗(yàn)證為明顯，可滿足航天器整體運(yùn)輸需求。