某型號衛(wèi)星控制力矩陀螺隔振裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)研究

孫曉晨,郭 彤,李曉莉,姚小松,楊若宸

(中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201304)

由于遙感衛(wèi)星在高精度、全球觀測,及近似實(shí)時(shí)快速地獲取空間信息方面的出色表現(xiàn),遙感衛(wèi)星已經(jīng)承擔(dān)了氣象預(yù)報(bào)、偵察測繪等與日常生活緊密相關(guān)的任務(wù),因此遙感衛(wèi)星的精度需求也日益提高。而提高衛(wèi)星分辨率的有效手段之一就是:為遙感器提供超靜、超穩(wěn)的工作環(huán)境,這種方式具有成本低、研制周期短、效果明顯的特點(diǎn),可以直接抑制衛(wèi)星平臺在軌微振動,從而保證敏感光學(xué)載荷在軌成像能力。

為降低微振動環(huán)境對敏感載荷性能的影響,通常采取被動隔振措施將CMG、飛輪等擾動源與衛(wèi)星平臺隔離。美國哈勃望遠(yuǎn)鏡對動量輪進(jìn)行了振源隔離,空間望遠(yuǎn)鏡也采用了阻尼層抑制微振動[1],國內(nèi)風(fēng)云四號衛(wèi)星上也采用了隔振器對飛輪進(jìn)行被動隔振[2],高分七號衛(wèi)星上也在CMG和安裝面之間設(shè)置了隔振裝置[3],吉林一號高分星安裝了金屬橡膠隔振器隔離飛輪的影響[4]。

在某型號高分辨率遙感衛(wèi)星上,采用我國某型控制力矩陀螺(control moment gyroscope,CMG)作為整星姿態(tài)控制設(shè)備。由于CMG在軌工作時(shí)高速轉(zhuǎn)動(幾千轉(zhuǎn)),其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動、靜不平衡力和不可避免的裝配誤差將會持續(xù)輸出擾動,甚至激發(fā)衛(wèi)星蜂窩板等結(jié)構(gòu)振動,進(jìn)一步傳遞至敏感載荷處,使光學(xué)載荷、星敏等載荷一直處于微振動環(huán)境,從而降低了遙感衛(wèi)星的精度和分辨率。本文針對該高分辨率遙感衛(wèi)星的CMG引起的微振動擾動,分析隔振裝置的功能需求,設(shè)計(jì)CMG微振動抑制系統(tǒng),并建立隔振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和力學(xué)仿真模型,在此基礎(chǔ)上,采用實(shí)物進(jìn)行了單機(jī)級、整星級微振動試驗(yàn),并獲得了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 隔振裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1 CMG擾振特性

星上采用的某型CMG具有控制力矩大、控制精度高、能量消耗低等特點(diǎn)[5],單件質(zhì)量為17.9 kg,內(nèi)轉(zhuǎn)子恒定轉(zhuǎn)速6 000 r/min條件下,標(biāo)稱角動量為25 Nms。其主要結(jié)構(gòu)可分為外框和內(nèi)框兩部分,如圖1所示,主體尺寸包絡(luò)為。其中外框?yàn)楣潭ú糠?包含CMG結(jié)構(gòu)框架及內(nèi)部控制電路,內(nèi)框?yàn)檗D(zhuǎn)動部分,可以使內(nèi)部高速轉(zhuǎn)子在內(nèi)框里繞Z軸高速轉(zhuǎn)動并且內(nèi)框整體可以同時(shí)繞Y軸旋轉(zhuǎn)。在軌狀態(tài)下,內(nèi)部高速轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速為6 000 r/min,CMG通過改變高速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸的指向與衛(wèi)星交換角動量來控制衛(wèi)星的姿態(tài)。內(nèi)部高速轉(zhuǎn)子、內(nèi)框轉(zhuǎn)動所引起的動、靜不平衡力及裝配誤差會引起振動。除CMG工作轉(zhuǎn)動頻率(100 Hz)外,由于保持架運(yùn)轉(zhuǎn)還存在約0.6倍頻的諧波頻率,因此CMG振動特性的頻率成分主要60 Hz、100 Hz及其倍頻。

圖1 某型號CMG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of CMG

1.2 隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因此可得到某型號衛(wèi)星頻率分布如圖2所示。

圖2 某型號衛(wèi)星頻率分布圖Fig.2 The frequency of satellite

由于被動隔振方式性能穩(wěn)定、可靠性高,因此采用被動隔振方式,具體將隔振裝置安裝在蜂窩板結(jié)構(gòu)與CMG之間,主要用于抑制衛(wèi)星在軌工作時(shí)CMG自身引起的擾振,使其對光學(xué)組件成像質(zhì)量影響最小,同時(shí)也要滿足衛(wèi)星姿控要求,使CMG產(chǎn)生的控制力矩正常傳遞到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

根據(jù)CMG的安裝接口、結(jié)構(gòu)特征以及功能需求,將四個(gè)完全相同的金屬隔振器按照匯聚式結(jié)構(gòu)并聯(lián),該結(jié)構(gòu)具備承載能力高、結(jié)構(gòu)剛度大、運(yùn)行穩(wěn)定、裝配公差容許度高等優(yōu)勢,同時(shí)設(shè)計(jì)上轉(zhuǎn)接框架為CMG和隔振器提供轉(zhuǎn)接接口,下轉(zhuǎn)接框架可以提供隔振子系統(tǒng)與衛(wèi)星艙板的安裝接口,子系統(tǒng)在整星的安裝效果如圖3所示。隔振系統(tǒng)包括CMG、上轉(zhuǎn)接框架、金屬隔振器、頂桿、下轉(zhuǎn)接框架、熱刀解鎖裝置。

圖3 隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of vibration isolation system

基于上述被動隔振方式,柔性的隔振器在提供CMG微振動隔離的同時(shí),也降低了CMG和衛(wèi)星的連接剛度,使發(fā)射段CMG響應(yīng)增大,超過CMG的單機(jī)許用環(huán)境。為解決這一問題,通常采用熱刀解鎖的方式將隔振裝置鎖定,在主動段通過鎖緊裝置鎖緊上下框架以提高連接剛度和隔振子系統(tǒng)固有頻率,在軌后再進(jìn)行熱刀解鎖動作,使隔振器進(jìn)入設(shè)計(jì)工況,實(shí)現(xiàn)CMG在軌隔振。

其中,金屬隔振器的設(shè)計(jì)是整個(gè)隔振系統(tǒng)的核心,尤其剛度設(shè)計(jì)會直接影響到整個(gè)隔振系統(tǒng)的剛度和固有頻率頻點(diǎn)分布,由于橫槽型隔振器是通過對稱切割圓柱體所得,具有力學(xué)對稱性好、設(shè)計(jì)參數(shù)少、易于參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),因此選擇橫槽型隔振器思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 隔振系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到CMG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用四個(gè)完全相同的匯聚式布置隔振器支撐構(gòu)成隔振系統(tǒng),該種布置方式易于得到獨(dú)立振動且具有良好的穩(wěn)定性,根據(jù)圖3所示的隔振系統(tǒng)構(gòu)型,建立等效數(shù)學(xué)模型如圖4[8-9]。將CMG和上框架視作統(tǒng)一整體,O為上框架下底面的中心,選擇參考坐標(biāo)系Oxyz作為平臺的中心慣性主軸,四個(gè)隔振器連接點(diǎn)分別為A、B、C、D,各自軸線匯聚于點(diǎn)M。四個(gè)隔振器上端面中心點(diǎn)距離X、Y軸距離分別為a和b,四個(gè)隔振器采用對稱布置,四個(gè)隔振器軸線與X軸(θ1)以及X-Y平面(θ2)成固定角度,且該角度對四個(gè)隔振器的表現(xiàn)一致。

圖4 CMG隔振裝置數(shù)學(xué)模型Fig.4 The mathematical model of vibration isolation system

圖5 橫槽彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.5 The structure of single isolation spring unit

(1)

式中:β為傳遞率,即響應(yīng)幅值與輸入激勵(lì)幅值之比;f為任意頻率,此處主要針對CMG產(chǎn)生的60 Hz擾動;fn為隔振系統(tǒng)頻率;ζ為阻尼比,對金屬隔振器可取值0.05[12]。

為保證60 Hz頻點(diǎn)處隔振效果不低于85%,則fn應(yīng)低于22 Hz,且隔振系統(tǒng)基頻越低隔振效果越好,且優(yōu)化隔振系統(tǒng)基頻過程中,考慮1.3倍最低頻率裕度[13],結(jié)合CMG在艙板的布局及工作環(huán)境要求,隔振系統(tǒng)基頻應(yīng)高于18 Hz,綜上得到隔振系統(tǒng)基頻應(yīng)為18～29 Hz。同時(shí)考慮到整星環(huán)境下其他擾動頻點(diǎn),理想隔振系統(tǒng)的前三階頻率應(yīng)在20～27 Hz之間,后三階應(yīng)在30～45 Hz或65～800 Hz之間,以避開干擾頻點(diǎn)。根據(jù)以上分析,結(jié)合CMG機(jī)械接口特性、衛(wèi)星安裝空間等綜合考量,經(jīng)過大量仿真計(jì)算,選定a=b=190 mm,θ1=θ2=45°。

在橫槽隔振器設(shè)計(jì)過程中,也采用參數(shù)化設(shè)計(jì)思路。為了明確不同的隔振器參數(shù)對其剛度的影響,將隔振器分為若干楔形塊和環(huán)形條進(jìn)行研究,參數(shù)包括外徑D(參數(shù)1)、內(nèi)徑d(參數(shù)2)、楔塊寬度t(參數(shù)3)、層厚度h(參數(shù)4)、層數(shù)n(參數(shù)5)。基于頻率設(shè)計(jì)約束,經(jīng)過多輪仿真迭代,最終隔振器設(shè)計(jì)參數(shù)定為:D=57 mm,d=43 mm,t=8 mm,h=3 mm,n=8 mm。

2 頻率特性驗(yàn)證分析

為考察隔振系統(tǒng)頻率特性,對隔振系統(tǒng)中的單個(gè)隔振器進(jìn)行垂直剛度的仿真和試驗(yàn)測試,并對隔振系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析和模態(tài)敲擊試驗(yàn)。

2.1 隔振器垂直剛度仿真與驗(yàn)證

根據(jù)隔振系統(tǒng)的實(shí)際組成進(jìn)行簡化并建立有限元模型,利用ANSYS軟件計(jì)算單個(gè)隔振器的垂直剛度。隔振器采用高阻尼材料錳銅合金,一方面,可以通過隔振器剛度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)抑制微振動擾動,另一方面,擾振源引起的微振動會在微觀上引起阻尼材料振動變形,驅(qū)動材料內(nèi)部微觀高密度孿晶界面滑移運(yùn)動,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,切段振動傳播途徑。如圖6所示,仿真時(shí)對隔振器下端面設(shè)置固定支撐,并在上端面施加豎直向下的力,取楊氏模量為70 GPa,經(jīng)計(jì)算得到隔振器垂直剛度為58.62 N/mm。

圖6 單個(gè)隔振器垂直剛度仿真Fig.6 The FEA model of single isolator unit

通過拉力機(jī),對28個(gè)樣件進(jìn)行垂直剛度測試,測試結(jié)果如圖7所示。垂直剛度取平均值為59.18 N/mm,彈簧一致性較好,仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近。

(a)

2.2 隔振系統(tǒng)模態(tài)分析

當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射入軌后,通過熱切割解鎖裝置完成CMG解鎖動作,CMG內(nèi)框在指定角度下內(nèi)轉(zhuǎn)子以6 000 r/min的轉(zhuǎn)速工作,因此選CMG內(nèi)/外框夾角(框架角)為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的工況,如圖8所示。根據(jù)實(shí)際情況建立有限元模型,并合理設(shè)置邊界條件,通過ANSYS軟件計(jì)算出不同角度下隔振子系統(tǒng)前六階模態(tài)。如圖9所示,當(dāng)框架角為0度且CMG內(nèi)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),隔振裝置仿真得出的前三階固有頻率分別為19.105 Hz、20.644 Hz、24.353 Hz,當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為6 000 r/min時(shí),前三階固有頻率為20.643 Hz、22.423 Hz、24.353 Hz,相應(yīng)的振型分別為沿Y軸擺動(Y軸平動與繞X軸轉(zhuǎn)動耦合)、沿X軸擺動(沿X軸平動與繞Y軸轉(zhuǎn)動耦合)、沿Z軸平動。

(a) 框架角α=0°

(a)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建完成后,在隔振裝置表面設(shè)置傳感器測點(diǎn),并通過錘擊法實(shí)測出不同工況的系統(tǒng)固有頻率,表1記錄了隔振系統(tǒng)在不同框架角下且內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí),隔振系統(tǒng)的模態(tài)仿真結(jié)果和模態(tài)敲擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)過對比,有限元模型仿真計(jì)算的模態(tài)與試驗(yàn)敲擊模態(tài)幾乎一致,因此仿真模型有較高準(zhǔn)確度和可信度。

表1 隔振系統(tǒng)模態(tài)仿真結(jié)果及敲擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The comparation of tested natural frequency and the simulated results

3 隔振效果驗(yàn)證分析

3.1 單機(jī)級力矩臺微振動測試

在奇石樂力矩臺上搭建微振動測試環(huán)境,試驗(yàn)裝置示意如圖10所示,隔振系統(tǒng)通過工裝與奇石樂力矩臺連接,CMG上表面設(shè)置4個(gè)加速度測點(diǎn)(測量在軌狀態(tài)擾動輸入),奇石樂力矩臺測量系統(tǒng)輸出的擾動力及擾動力矩。在鎖緊工況時(shí),隔振器被壓縮,由限位頂桿支撐CMG,可視為剛性連接,因此實(shí)測數(shù)據(jù)為隔振前或無隔振效果的對照組,在熱切割機(jī)鎖裝置完成解鎖動作后,隔振器釋放,CMG通過隔振器與結(jié)構(gòu)件連接,此時(shí)實(shí)測數(shù)據(jù)為隔振后/有隔振效果的實(shí)驗(yàn)組。以0°框架角工況為例,分別從時(shí)域、頻域?qū)φ崭粽袂?后(解鎖/鎖緊)兩種工況的測試數(shù)據(jù),以對隔振效果進(jìn)行評估。

(a)

按照上述試驗(yàn)環(huán)境,4只加速度觸感器設(shè)置于CMG外框上表面,隔振系統(tǒng)整體安裝于奇石樂力矩臺上,以實(shí)測得CMG產(chǎn)生的擾振加速度數(shù)據(jù)(即輸入隔振系統(tǒng)的擾動加速度)和隔振系統(tǒng)安裝面的擾動力、擾動力矩?cái)?shù)據(jù)(即隔振系統(tǒng)輸出的擾動力、擾動力矩)。表2為隔振系統(tǒng)解鎖后實(shí)測結(jié)果數(shù)據(jù)匯總,圖11為A1～A4加速度傳感器實(shí)測的CMG擾振加速度時(shí)域、頻域曲線。

表2 解鎖工況CMG框架角為0°時(shí),產(chǎn)生的擾振加速度數(shù)據(jù)Tab.2 The acceleration of working CMG when the turning angle is 0°under unlocked condition

CMG框架角0°,內(nèi)轉(zhuǎn)子6 000 r/min,解鎖工況

當(dāng)隔振系統(tǒng)處于鎖緊狀態(tài)時(shí),隔振器被壓縮,由熱切割解鎖裝置和頂桿支撐CMG,因此隔振系統(tǒng)提供剛性連接,奇石樂平臺采集到的數(shù)據(jù)為隔振前系統(tǒng)輸出的擾動力。當(dāng)熱切割解鎖裝置完成解鎖后,CMG和艙板之間由隔振裝置提供柔性連接,此時(shí)測得隔振后系統(tǒng)輸出的擾動力。

表3對比了隔振系統(tǒng)解鎖前后隔振系統(tǒng)輸出的擾動力,從時(shí)域數(shù)據(jù)看,隔振裝置對CMG產(chǎn)生的擾動在各個(gè)方向都有明顯抑制效果,從頻域來看,在59 Hz和100 Hz關(guān)鍵頻點(diǎn),尤其CMG擾動較大的X、Y方向都有明顯抑制,擾振可衰減1個(gè)數(shù)量級以上。

表3 單機(jī)級微振動試驗(yàn):CMG隔振系統(tǒng)力矩臺測得擾動力隔振前/后(解鎖/鎖緊)效果對比Tab.3 The unit-level micro-vibration test:the output force of vibration isolation device

表4 整星級微振動測試加速度時(shí)域、頻域?qū)Ρ冉Y(jié)果Tab.4 The acceleration of vibration isolation device in time domain and frequency domain

3.2 整星級別微振動測試

CMG在衛(wèi)星上采用豎直安裝方式,將隔振系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星艙板上,分別在CMG上表面和蜂窩板上安裝加速度傳感器,其中A1、A3安裝在CMG表面上,A2、A4安裝在下轉(zhuǎn)接框架附近的蜂窩板上,如圖12所示。以框架角0°為例,分析解鎖工況下A1-A2數(shù)據(jù)以及A3-A4數(shù)據(jù),可以對比隔振效果。

圖12 整星級微振動測試加速度傳感器測點(diǎn)布局Fig.12 The position of accelerometer in satellite-level micro-vibration experiment

與單機(jī)級測試數(shù)據(jù)相比,輸入隔振系統(tǒng)的加速度量級無明顯變化,重力方向?qū)MG擾振的影響較小。對下表時(shí)域數(shù)據(jù)RMS值分析,擾振源明顯的X、Y方向上,隔振后加速度相較于隔振前衰減一個(gè)數(shù)量級,擾振量級較小的Z方向上,加速度也有60%以上的衰減效果,針對主要擾動頻點(diǎn)60 Hz,在三個(gè)方向上隔振前擾動量級為10-3g,經(jīng)衰減后可到10-5g,另一個(gè)主要擾動頻點(diǎn)100 Hz處,擾動量級由隔振前的10-3g量級衰減到10-4g量級。

根據(jù)上述數(shù)據(jù),整理分析后得到表5,從時(shí)域結(jié)果來看,在X、Y兩個(gè)擾動大的方向,隔振效率達(dá)到85%以上,Z方向本身擾動小,隔振效率實(shí)現(xiàn)60% 以上的衰減,從頻域角度看,在兩個(gè)主要擾動頻點(diǎn)60 Hz、100 Hz處,隔振效果均達(dá)到90%以上。

表5 CMG隔振裝置隔振效果Tab.5 Effects of vibration isolation system

4 結(jié) 論

為降低CMG擾動群對光學(xué)載荷平臺的影響,結(jié)合某型號衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和CMG特性,提出了一種在多頻率約束下的被動隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,完成了衛(wèi)星隔振器及裝置的設(shè)計(jì)及研制。通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,CMG隔振裝置固有頻率分布合理,且不與整星結(jié)構(gòu)、CMG發(fā)生動力學(xué)耦合,大大降低了CMG輸出的擾動,具有明顯隔振效果,與熱切割解鎖裝置配合,可同時(shí)適用主動段和在軌段應(yīng)用,表明該設(shè)計(jì)方法具有可操作性和有效性,對其他型號衛(wèi)星的隔振裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。