可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)及振動(dòng)特性分析

崔嘉鑫,于 東,劉文翔,史志鑫,苗常青*

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)系,哈爾濱 150001)

1 引言

太陽(yáng)翼作為衛(wèi)星、空間站等大型在軌服役航天器的重要組件之一,為航天器工作提供所需電力支持。隨著航天器功能的不斷擴(kuò)展,對(duì)電力的需求也逐漸增大,但受發(fā)射體積和發(fā)射重量的限制,所能發(fā)射的太陽(yáng)翼面積遠(yuǎn)不能滿足航天器電力需求,這對(duì)航天器的發(fā)展造成很大局限[1-2]。

充氣結(jié)構(gòu)太陽(yáng)翼是一種柔性復(fù)合材料制成的新型結(jié)構(gòu),具有折疊體積小、質(zhì)量輕、可在軌展開成型為大型航天器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),在大型天線、衛(wèi)星太陽(yáng)翼[3-4]等空間大型結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

大面積太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)尺寸大,結(jié)構(gòu)剛度和振動(dòng)基頻低,是一種典型的空間大撓度結(jié)構(gòu)。在變軌、調(diào)姿等外力作用下,易產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng),增大了航天器姿態(tài)控制的難度,且容易與其他部件產(chǎn)生共振,危害航天器的結(jié)構(gòu)安全,將嚴(yán)重影響航天器在軌的安全運(yùn)行以及正常服役工作[6]。

為減小太陽(yáng)翼振動(dòng)對(duì)航天器運(yùn)行的不利影響,研究人員從抑制太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)角度展開研究。Ma 等[7]采用添加制動(dòng)器的方式對(duì)太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行干預(yù),以抑制振動(dòng);張金龍等[8]、胡軍等[9]對(duì)抑制太陽(yáng)翼運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行了研究,有效降低了結(jié)構(gòu)振動(dòng)帶來的隱患。然而,對(duì)于此類鉸鏈?zhǔn)降奶?yáng)翼結(jié)構(gòu),在鉸鏈連接處剛度會(huì)明顯下降[10],僅從抑制其振動(dòng)的角度并不能從根本上解決結(jié)構(gòu)剛度低帶來的問題;余建新等[11]研究了充氣天線的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性,并分析了充氣壓力對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響;謝軍[12]對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)的褶皺對(duì)其振動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究,得出褶皺對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響規(guī)律。

針對(duì)大面積太陽(yáng)翼需求,并考慮大型太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)剛度及振動(dòng)特性等功能要求,本文提出一種可剛化的充氣框架式太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)方案,并研制結(jié)構(gòu)樣機(jī),開展折疊展開、結(jié)構(gòu)剛化試驗(yàn)及振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn),分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充氣框架式太陽(yáng)翼振動(dòng)特性的影響,為充氣框架式太陽(yáng)翼的研制及應(yīng)用提供參考和技術(shù)支撐。

2 充氣框架式太陽(yáng)翼方案設(shè)計(jì)與分析

充氣結(jié)構(gòu)可柔性折疊,折疊體積小,與傳統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)娇烧归_太陽(yáng)翼相比,不含機(jī)械鉸鏈,可在軌充氣展開并剛化成型,可靠性高,剛化后振動(dòng)基頻高,且不會(huì)由于機(jī)械鉸鏈的引入而造成太陽(yáng)翼基板連接處的剛度下降,在構(gòu)建大面積太陽(yáng)翼方面有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。基于充氣結(jié)構(gòu)技術(shù),借鑒現(xiàn)有太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)方案,提出了一種采用可剛化充氣框架作為展開和支撐結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)方案。

2.1 方案設(shè)計(jì)

可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼由充氣框架和太陽(yáng)電池基板構(gòu)成,其中,太陽(yáng)電池基板可采用傳統(tǒng)的剛性基板,也可采用柔性基板;充氣框架采用可剛化的充氣管,形成支撐太陽(yáng)電池基板的平面框架。充氣管由柔性纖維復(fù)合材料制成,可柔性折疊,充氣展開后可通過電加熱、紫外剛化等方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛化,從而在軌展開成型為具有足夠結(jié)構(gòu)剛度的太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)方案示意圖如圖1 所示。

圖1 充氣框架式太陽(yáng)翼方案Fig.1 Scheme of inflatable-frame solar wing

太陽(yáng)翼主體結(jié)構(gòu)由可剛化充氣框架和電池基板構(gòu)成?？蓜偦錃饪蚣苡? 根充氣管與兩端連接橫板構(gòu)成,其中,該充氣管可折疊并充氣驅(qū)動(dòng)展開,連接橫板主要起到將太陽(yáng)翼與航天器連接在一起的作用,其材質(zhì)為剛性的輕質(zhì)金屬材料,如鋁合金、鈦合金等。電池基板與可剛化充氣管之間采用可剛化柔性包帶連接,增大了充氣管與電池基板的連接剛度,避免電池基板產(chǎn)生局部振動(dòng)。

為使充氣框架式太陽(yáng)翼具有更小的折疊包絡(luò)尺寸,增大其折疊展開效率,且考慮到整個(gè)結(jié)構(gòu)無需引入鉸鏈、扭簧等展開及鎖緊機(jī)構(gòu),單塊太陽(yáng)電池基板可設(shè)計(jì)為更小的尺寸,而不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的剛度在基板間產(chǎn)生明顯的下降。

充氣式支撐框架主要由充氣管構(gòu)成,充氣管采用可剛化纖維復(fù)合材料制成,在未剛化時(shí),充氣管具有較大的柔性,便于結(jié)構(gòu)的折疊。充氣管管壁由內(nèi)至外依次為氣密層、剛化層、電熱層等多層材料。剛化層之間設(shè)有電加熱層,當(dāng)太陽(yáng)翼在軌充氣展開成型后,通過電加熱方式,實(shí)現(xiàn)充氣框架的加熱剛化。

2.2 振動(dòng)特性分析

太陽(yáng)翼是一種典型的空間大撓度結(jié)構(gòu),在變軌、調(diào)姿等外力作用下,易產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng),增大了航天器姿態(tài)控制的難度,其振動(dòng)特性對(duì)航天器在軌運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要影響。

2.2.1 太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼不含有彈簧、鉸鏈等機(jī)械連接部件,其展開特性基本不受基板尺寸、折疊段數(shù)等的影響?；宄叽缈筛鶕?jù)折疊尺寸要求進(jìn)行較為靈活的設(shè)計(jì),本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)翼電池基板數(shù)目為6 塊,如圖2 所示。

圖2 充氣框架式太陽(yáng)翼數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of inflatable-frame solar wing

其中單塊電池基板尺寸為 1120 mm ×635 mm×20 mm,基板與基板、基板與充氣管之間均采用可剛化柔性纖維連接。充氣管直徑D=140 mm,厚度d=1 mm,材料為與芳綸纖維復(fù)合材料等密度、等強(qiáng)度的代用均質(zhì)材料。

由于充氣管和電池基板厚度尺度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度尺度,為簡(jiǎn)化計(jì)算,采用SHELL188 殼單元,其他部分均采用實(shí)體單元。為更接近太陽(yáng)翼實(shí)際使用狀態(tài),邊界條件設(shè)計(jì)為一端連接橫板固定,另一端為自由邊界。

為便于與傳統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比,本文參照文獻(xiàn)[14]的鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼結(jié)構(gòu)形式,采用充氣框架式太陽(yáng)翼相同結(jié)構(gòu)尺寸,建立了鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼數(shù)值模型,如圖3 所示。其中,鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼電池基板包含3 塊鋁蜂窩電池基板,單塊尺寸為1120 mm×1270 mm×20 mm,基板間采用鉸鏈和扭簧連接,一端為連接橫板,尺寸為200 mm×1200 mm×5 mm,材料為鋁合金。為簡(jiǎn)化分析,將電池基板簡(jiǎn)化為等剛度、等密度的均質(zhì)等效板,將連接扭簧簡(jiǎn)化為等剛度的連接片。

圖3 鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of hined solar wing

2.2.2 振動(dòng)特性對(duì)比分析

對(duì)鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼和可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼進(jìn)行模態(tài)分析,得到了其振型及振動(dòng)基頻,圖4 為其前三階振型?？梢钥闯?鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼前三階均為彎曲振型,說明其抗彎剛度較低,這是由于其整體結(jié)構(gòu)截面慣性矩小,且板間鉸鏈造成了整體結(jié)構(gòu)的剛度下降所致。充氣框架式太陽(yáng)翼前兩階為彎曲振型,第三階為扭轉(zhuǎn)振型,說明其抗彎剛度較高。這是由于剛化后的充氣管為大直徑薄壁結(jié)構(gòu),相同質(zhì)量下,與實(shí)心結(jié)構(gòu)相比,具有更高的抗彎剛度,且整體結(jié)構(gòu)不含連接鉸鏈,不會(huì)造成整體結(jié)構(gòu)剛度的下降,這顯著提高了充氣框架式太陽(yáng)翼的抗彎剛度及振動(dòng)基頻。

圖4 2 種結(jié)構(gòu)太陽(yáng)翼振型及振動(dòng)頻率對(duì)比Fig.4 Comparison of mode and vibration frequency of two kinds of solar wing

圖5 為可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼(充氣管直徑為140 mm)與傳統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼的前三階振動(dòng)頻率對(duì)比。可以看出,充氣框架式太陽(yáng)翼振動(dòng)基頻顯著高于相同面積和質(zhì)量的鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼。當(dāng)充氣框架式太陽(yáng)翼充氣管直徑為140 mm 時(shí),其振動(dòng)基頻是相同面積和質(zhì)量的鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼的7.5 倍。

圖5 剛化后充氣框架式與鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼振動(dòng)頻率對(duì)比Fig. 5 Comparison of vibration frequency between inflatable-frame and hinged solar wing after rigidization

2.2.3 充氣管直徑對(duì)太陽(yáng)翼振動(dòng)特性影響

太陽(yáng)翼充氣框架由充氣管構(gòu)成,充氣管剛化后使結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度以及更高的振動(dòng)基頻。其結(jié)構(gòu)尺寸尤其是充氣管直徑對(duì)結(jié)構(gòu)剛度具有顯著影響。

對(duì)不同直徑充氣管的充氣框架式太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行分析,得到了充氣管直徑對(duì)其結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響規(guī)律。圖6 為充氣框架式太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻隨充氣管直徑變化曲線?？梢钥闯?可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼振動(dòng)基頻隨其充氣管直徑增加呈近似線性增加。當(dāng)充氣管直徑為200 mm 時(shí),太陽(yáng)翼振動(dòng)基頻為2. 24 Hz,相較于相同面積和質(zhì)量的鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼振動(dòng)基頻(0. 18 Hz),提升了約12. 4倍。這是因?yàn)樵龃蟪錃夤苤睆娇娠@著提高其截面慣性矩,導(dǎo)致其整體抗彎剛度顯著提高,從而顯著提高了太陽(yáng)翼的振動(dòng)基頻。

圖6 充氣管直徑對(duì)太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)基頻的影響Fig.6 The Influence of inflatable tube diameter on the fundamental frequency of solar wing

3 樣機(jī)性能測(cè)試

3.1 折疊、展開及剛化試驗(yàn)

研制了可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)樣機(jī),總尺寸為:1200 mm(寬)×3000 mm(長(zhǎng))×300 mm(厚)。太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)樣機(jī)共包含10 塊電池基板,單塊基板尺寸為1000 mm×300 mm×20 mm,電池基板及太陽(yáng)電池片采用代用材料。電池基板通過可剛化包布與充氣框架連接,充氣框架由2 根充氣管與兩端連接橫板構(gòu)成,其充氣管長(zhǎng)為3000 mm,直徑為100 mm,壁厚為1 mm,材料為可剛化纖維復(fù)合材料。太陽(yáng)翼兩端連接橫板尺寸為200 mm×1200 mm×5 mm,材料為鋁合金。

開展了太陽(yáng)翼樣機(jī)折疊、充氣展開及結(jié)構(gòu)電加熱剛化試驗(yàn)。太陽(yáng)翼樣機(jī)采用Z 型折疊方式進(jìn)行折疊,并通過充氣壓力驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)翼進(jìn)行充氣展開,其整個(gè)樣機(jī)折疊后的尺寸為1200 mm×300 mm×300 mm,其折疊狀態(tài)及展開過程狀態(tài)照片如圖7 所示。

圖7 太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)樣機(jī)折疊及充氣展開Fig.7 Folding and inflatable deployment of prototype solar wing structure

展開成型后的太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電加熱剛化,展開并剛化后的充氣框架式太陽(yáng)翼如圖8所示。

圖8 展開并剛化成型的太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)樣機(jī)Fig.8 Prototype solar wing structure developed and rigidly formed

上述試驗(yàn)驗(yàn)證了可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼的折疊、充氣展開及結(jié)構(gòu)電加熱剛化的可行性。可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼可柔性折疊,折疊效率高(≥10),由于結(jié)構(gòu)中不使用鉸鏈結(jié)構(gòu),避免了展開過程中的意外卡住、鎖死等問題,顯著提高了其展開過程的平順性、可靠性,展開擾動(dòng)小。展開剛化后的薄壁充氣管質(zhì)量很輕,具有很高的截面慣性矩,其抗彎剛度得到了顯著提升[13],并顯著提高其振動(dòng)基頻。

3.2 振動(dòng)特性測(cè)試

研制了可剛化充氣框架式振動(dòng)試驗(yàn)樣機(jī),長(zhǎng)度為2000 mm,寬度為1200 mm,具有4 塊電池基板,尺寸為470 mm×805 mm。兩側(cè)的可剛化充氣管直徑為100 mm,壁厚為1 mm,與4 塊電池基板通過可剛化柔性包帶實(shí)現(xiàn)固定連接。

為了更接近太陽(yáng)翼在軌服役狀態(tài),將樣機(jī)邊界條件設(shè)計(jì)為一端與地面固定支撐,另一端為自由端。將試驗(yàn)樣機(jī)固定于地面上,呈豎直狀態(tài),底部通過地腳螺栓連接,與地面形成固定支撐邊界條件,同時(shí),該固定方式還具有降低重力對(duì)固定端連接強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)振動(dòng)效果產(chǎn)生的影響。

考慮到樣機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用錘擊法對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)的振動(dòng)基頻進(jìn)行測(cè)試,即利用在端部裝有高靈敏度力傳感器的激振力錘,對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)施加瞬時(shí)的沖擊力激勵(lì);通過布置在試驗(yàn)樣機(jī)上的加速度傳感器,捕獲結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號(hào);利用動(dòng)態(tài)分析儀對(duì)力錘的輸入激勵(lì)信號(hào)及加速度傳感器的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理,得到振動(dòng)試驗(yàn)樣機(jī)的各階振動(dòng)頻率。試驗(yàn)原理如圖9 所示。

圖9 錘擊法測(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻原理圖Fig.9 Schematic of hammer-strike-method for measuring fundamental frequency of structural vibration

在試驗(yàn)樣機(jī)表面不同位置,共設(shè)計(jì)有6 個(gè)測(cè)點(diǎn),用來施加沖擊力激勵(lì)。布點(diǎn)如圖10 所示。試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)表Table 1 Table of test equipment modles

圖10 樣機(jī)固定、傳感器布置及錘擊激勵(lì)點(diǎn)示意圖Fig. 10 Schematic diagram of prototype fixation,sensor layout and hammer excitation point

由于結(jié)構(gòu)的固定形式為典型的懸臂梁,其主要振動(dòng)幅值在x方向(即電池基板的法線方向)上較為顯著,因此本次試驗(yàn)主要在x方向施加力錘激勵(lì),并記錄x方向上的振動(dòng)幅值。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖11 所示。

圖11 試驗(yàn)樣機(jī)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)布置Fig. 11 Arrangement of vibration test system of test prototype

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

利用力錘,對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)上所設(shè)計(jì)的每個(gè)錘擊點(diǎn)分別進(jìn)行3 次沖擊力激勵(lì),并對(duì)3 次激勵(lì)取平均值,得到了6 個(gè)點(diǎn)激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值-頻率曲線,如圖12 所示?？梢钥闯?自激振施加后,頻率在約7.5 Hz 時(shí),激振頻率與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了第一次明顯的共振峰,且6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的激振均在該值附近,因此可以得出,本文所設(shè)計(jì)的可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)在一端固定、一端為自由的邊界條件下,其結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻約為7.5 Hz。

圖12 各測(cè)點(diǎn)x 方向振幅-頻率曲線Fig.12 Amplitude-frequency curve in x direction of each measurement point

可以注意到,在一階基頻后,其后續(xù)各階振動(dòng)頻率受干擾產(chǎn)生擾動(dòng)較為明顯,這可能是由于試驗(yàn)過程中試驗(yàn)環(huán)境受到了不同來源的干擾,如周邊電器、環(huán)境噪聲等。后續(xù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)可以選擇安靜時(shí)段,且對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行接地處理,降低電磁干擾的影響。

4 結(jié)論

1)可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼可實(shí)現(xiàn)柔性折疊,折疊體積小,不含機(jī)械鉸鏈,展開可靠性高。

2)可剛化充氣框架式太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)剛度和振動(dòng)基頻高,且提高充氣管直徑可顯著提高充氣式太陽(yáng)翼的結(jié)構(gòu)剛度和振動(dòng)基頻。在保持太陽(yáng)翼總質(zhì)量和其他部分尺寸不變的情況下,太陽(yáng)翼充氣管直徑為140 mm 時(shí),其振動(dòng)基頻是相同面積和質(zhì)量的鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼的7.5 倍;充氣管直徑為200 mm 時(shí),其振動(dòng)基頻是相同面積和質(zhì)量的鉸鏈?zhǔn)教?yáng)翼的12.4 倍。

3)通過對(duì)所研制的振動(dòng)試驗(yàn)樣機(jī)(2 m×1.2 m)進(jìn)行振動(dòng)基頻的測(cè)試,其結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻約為7.5 Hz。