應(yīng)用磁流變技術(shù)的星箭界面半主動隔振研究

程明　陳照波　楊樹濤　潘忠文　呂文香

摘要：發(fā)射階段經(jīng)受的惡劣振動環(huán)境，往往造成衛(wèi)星發(fā)射失敗。為了改善衛(wèi)星在發(fā)射階段的振動環(huán)境，提出了一種基于磁流變技術(shù)的星箭界面半主動隔振平臺，用來替換傳統(tǒng)的用于星箭連接的錐殼適配器。分析了布置參數(shù)、剛度系數(shù)、阻尼特性等主要特性參數(shù)對隔振平臺傳遞特性的影響。搭建了星箭界面隔振實驗平臺，采用天棚阻尼控制策略，對隔振平臺進(jìn)行半主動控制。利用正弦掃頻激勵完成了模擬實驗，實驗結(jié)果表明：隔振平臺原理可行、主要特性參數(shù)可調(diào)、隔振效果良好。

關(guān)鍵詞：半主動控制；隔振平臺；星箭界面；磁流變阻尼器

中圖分類號：TB535；V414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-4523（2017）01-0086-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2017.01.012

引言

目前，各類人造衛(wèi)星已經(jīng)在通訊、導(dǎo)航、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探、測繪和軍事等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，人造衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量約占航天器發(fā)射總數(shù)的90%以上。然而，在航天器的整個壽命周期內(nèi)，其在發(fā)射過程中經(jīng)受的振動環(huán)境最為惡劣。惡劣的振動環(huán)境往往是造成航天器發(fā)射失敗的主要原因，另一方面，儀器設(shè)備的精密化對航天器上動力學(xué)環(huán)境提出了更高的要求。

傳統(tǒng)星箭連接適配器通常為用蜂窩鋁材料制成的錐殼結(jié)構(gòu)，它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點，但其剛度通常較大，結(jié)構(gòu)材料的耗能能力微弱，導(dǎo)致錐殼適配器對衛(wèi)星隔振的效果較差。星箭隔振技術(shù)，即在不改變衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的前提下，利用具有隔振性能的適配器替代原有的剛性過大的錐殼適配器或在原來的適配器與星箭界面之間加入一套隔振系統(tǒng)，減小衛(wèi)星發(fā)射時所承受的環(huán)境載荷，降低對衛(wèi)星及其設(shè)備的動態(tài)性能要求。

星箭隔振技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)90年代初，主要集中在航天技術(shù)發(fā)達(dá)的美國和歐洲等國家。1997年美國空軍研究實驗室（AFRL）和CSA工程公司聯(lián)合研制出世界上第一個星箭被動隔振裝置（SoftRide UniFlex）。SoftRide UniFlex是一種軸向隔振裝置，該裝置是由多個內(nèi)部粘貼有約束層阻尼結(jié)構(gòu)的鈦合金壓力環(huán)組成。這種隔振裝置的優(yōu)點是不改變原有適配器結(jié)構(gòu)，只是在原適配器和衛(wèi)星的連接界面接入隔振裝置，利用約束層阻尼結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的阻尼從而有效抑制軸向諧振頻率的響應(yīng)幅值，達(dá)到軸向隔振目的。在美國菲利普空軍實驗室（AFPL）的資助下，Wilke等研制出了星箭橫向被動有效載荷適配器（IPAF），實驗結(jié)果表明該隔振系統(tǒng)對25～40Hz范圍的橫向振動載荷具有很好的抑制作用。但是IPAF比傳統(tǒng)的適配器彎曲剛度低，容易導(dǎo)致衛(wèi)星與整流罩碰撞。2003年Honeywell公司研制出EL-VIS隔振裝置，該裝置由8個液壓一空氣式作動筒和金屬管網(wǎng)組成主被動一體化振動控制系統(tǒng)，對橫向和縱向振動響應(yīng)均具有良好隔振性能，但存在質(zhì)量大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。

磁流變阻尼器是一種用于半主動控制的理想元件，具有良好的可控性、可逆性和快速響應(yīng)等優(yōu)點。近幾年，關(guān)于磁流變阻尼器應(yīng)用于汽車懸架、高層建筑以及大型橋梁振動控制方面的研究比較廣泛，并取得一些重要的突破，然而，將磁流變阻尼器應(yīng)用于星箭系統(tǒng)進(jìn)行半主動隔振的研究不久前才出現(xiàn)。Jean等結(jié)合磁流變阻尼器和Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)搭建了一種星箭隔振平臺，通過實驗研究取得了不錯隔振效果，但研究過程中并沒有考慮一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔振性能的影響。涂奉臣等將磁流變阻尼器安裝在曲桿固接式隔振平臺上，通過模糊最優(yōu)控制策略進(jìn)行控制。王強(qiáng)等設(shè)計了一種立方體六軸隔振系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上具有一定的解耦優(yōu)勢。目前，應(yīng)用磁流變阻尼器進(jìn)行半主動星箭隔振的研究到實際應(yīng)用還有一段距離，平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔振性能影響以及控制策略的效果和可靠性等還需進(jìn)一步研究和驗證。

1.六自由度隔振平臺

1.1隔振平臺整體結(jié)構(gòu)

Stewart機(jī)構(gòu)具有多自由度運動控制的特點，并且還能夠與多種形式的主動或半主動作動器件結(jié)合起來，實現(xiàn)主動或半主動的振動控制。結(jié)合星箭隔振的技術(shù)要求以及Stewart機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了一種星箭界面半主動隔振平臺，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐殼適配器。

隔振平臺（如圖1所示）的上、下平臺分別與衛(wèi)星支架和基礎(chǔ)相連，負(fù)載用來模擬衛(wèi)星。為了保證平臺結(jié)構(gòu)的對稱以及便于裝配時的精確調(diào)整，將上、下平臺設(shè)計為圓環(huán)形。支腿的上、下球鉸不能與平臺直接連接，需要設(shè)計一個球鉸座。將球鉸座設(shè)計成帶斜面的滑塊狀，通過調(diào)整球鉸座的安裝方位來使球鉸滿足運動范圍限制。

1.2隔振平臺支腿

完成設(shè)計的支腿結(jié)構(gòu)如圖2所示，磁流變阻尼器置于彈簧內(nèi)，與彈簧并聯(lián)。彈簧選用圓截面螺旋彈簧，置于上、下?lián)醢逯畣枺蠐醢逋ㄟ^軸套與上球鉸相連，下?lián)醢迮c螺桿相連，旋轉(zhuǎn)螺桿可以調(diào)節(jié)整根支腿的長度。位移傳感器選用LVDT傳感器，本體通過夾具與上軸套固連，其活動桿下端黏接一塊徑向磁鐵，磁鐵吸附在磁流變阻尼器的端面上。拉壓力傳感器與磁流變阻尼器通過軸套串接。位移傳感器實測磁流變阻尼器的位移量，位移信號傳到控制器進(jìn)行微分處理后得到支腿與上、下平臺的兩個連接點的相對運動速度。拉壓力傳感器實測磁流變阻尼器的拉壓力，這種集成了拉壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計便于進(jìn)行多種控制策略的研究與驗證。上、下平臺通過球鉸與支腿連接。

2.主要特性參數(shù)

星箭界面隔振平臺的隔振效果，是通過隔振平臺的固有頻率的大小，以及上、下平臺的加速度傳遞率進(jìn)行評價。隔振平臺具有六個自由度，包括上平臺的3個平動和3個轉(zhuǎn)動，兩個橫向方向上的平動和轉(zhuǎn)動振型分別相互耦合。由于星箭界面半主動隔振平臺是關(guān)于中軸線的對稱結(jié)構(gòu)，其在兩個橫向上的振型是一致的。設(shè)計隔振平臺的縱向共振頻率為10Hz左右；一階橫向共振頻率為3Hz左右，二階橫向共振頻率為9Hz左右。動態(tài)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)來改變系統(tǒng)固有特性，實現(xiàn)上、下平臺的加速度傳遞率在共振區(qū)被抑制，而在高頻區(qū)不惡化。

主要特性參數(shù)包括球鉸座的安裝位置、彈簧的剛度系數(shù)、以及磁流變阻尼器的阻尼系數(shù)，它們的改變對隔振平臺的傳遞特性都會產(chǎn)生影響。

2.1球鉸座安裝位置

球鉸座的安裝位置影響著支腿的空間布局，間接影響著隔振平臺固有特性，包括固有頻率以及傳遞率。球鉸的安裝位置主要由圓周直徑φ、中心角a兩個參數(shù)決定，但由于受到其他結(jié)構(gòu)的尺寸限制，直徑φ已經(jīng)確定，安裝在上平臺上的球鉸座的可調(diào)范圍很小。分析過程中認(rèn)為安裝在上平臺上的6個球鉸座的位置固定，只調(diào)節(jié)下平臺上的6個球鉸座的安裝位置。下平臺上6個球鉸座中相鄰兩個之間的中心角為a，6個球鉸座兩兩關(guān)于下平臺的軸線對稱布置，如圖3所示。

隨著下平臺上球鉸座安裝位置的中心角a的增大，隔振平臺縱向傳遞特性并沒有發(fā)生多大變化，而對橫向傳遞特性產(chǎn)生的影響非常顯著。隨著中心角a的增大，橫向一、二階共振頻率減小，一階共振區(qū)的傳遞率下降，二階共振區(qū)的傳遞率有所升高，高頻區(qū)的傳遞率幾乎沒發(fā)生什么變化。兩個特殊中心角對應(yīng)的分析結(jié)果，縱向傳遞特性如圖4所示，橫向傳遞特性如圖5所示。

衛(wèi)星在發(fā)射階段，受到的各種準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)載荷的激勵作用主要是沿縱向方向，因此縱向隔振效果是主要考察指標(biāo)。另外，受到縱向隔振效果的限制，隔振平臺的一階橫向固有頻率較小。增大下平臺上球鉸座安裝位置的中心角，橫向一階共振區(qū)的加速度傳遞率有所改善，但一階橫向固有頻率卻下降明顯，表明這種情況下隔振平臺的橫向剛度較小，容易導(dǎo)致隔振平臺發(fā)生傾覆失穩(wěn)。因此，球鉸安裝位置的確定需要綜合考慮其對隔振平臺的傳遞特性以及穩(wěn)定性的影響。

2.2彈簧的剛度系數(shù)

六根支腿都可以進(jìn)行伸縮運動，星箭界面隔振平臺的上平臺具有六個自由度，分別為沿三個方向平動以及繞三個方向轉(zhuǎn)動。衛(wèi)星通常與適配器是對中安裝，在衛(wèi)星發(fā)射過程中，適配器沿橫向方向受到的偏載很小。沿縱向方向上，六根支腿可以當(dāng)作是均勻受力的，上平臺只進(jìn)行上下平動，隔振平臺只表現(xiàn)出一階固有特性；沿橫向方向上，上平臺既有平動也有轉(zhuǎn)動，表現(xiàn)為二階固有特性。

彈簧的剛度參數(shù)直接影響著隔振平臺的固有頻率的大小，調(diào)整彈簧的剛度系數(shù)，得到縱向傳遞特性如圖6所示，橫向傳遞特性如圖7所示。縱向或橫向上，隔振平臺的固有頻率都是隨著彈簧剛度的增大而增大。當(dāng)彈簧剛度為100N/mm時，仿真得到隔振平臺的傳遞特性如圖7所示。隔振平臺的縱向共振頻率為9.11Hz；橫向一階共振頻率為2.34Hz，橫向二階固有頻率為9.12Hz。

2.3磁流變阻尼器的阻尼特性

振動系統(tǒng)中的阻尼是通過機(jī)械能的耗能來表現(xiàn)，阻尼器就是利用阻尼特性來減小振動幅度的裝置。保持其他參數(shù)不變，調(diào)節(jié)隔振平臺動力系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，得到縱向傳遞特性如圖8所示，橫向傳遞特性如圖9所示。

沿縱向方向，隨著阻尼系數(shù)增大，上、下平臺的加速度傳遞率在共振區(qū)依次減小，但在高頻區(qū)卻逐漸惡化。沿橫向方向，隨著阻尼系數(shù)的增大，上、下平臺的加速度傳遞率在一階、二階共振區(qū)依次減小，但在一、二階共振區(qū)的中間區(qū)域以及高頻區(qū)卻惡化明顯。

磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。這種懸浮體在零磁場條件下呈現(xiàn)出低黏度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場作用下，則呈現(xiàn)出高黏度、低流動性的Bingham體特性。磁流變阻尼器（MRD）就是利用磁流變液的磁流變效應(yīng)而設(shè)計的阻尼耗能裝置。磁流變阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)快、出力大、而且耗能小、可靠性高等優(yōu)點。系統(tǒng)的阻尼系數(shù)主要是由磁流變阻尼器的阻尼特性決定，具體表現(xiàn)為與位移、速度、電流相關(guān)的阻尼力大小。星箭界面半主動隔振平臺，則是通過半主動控制策略來動態(tài)調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的阻尼力大小，從而實現(xiàn)對衛(wèi)星的隔振。

3.星箭界面隔振實驗

3.1半主動控制策略

半主動隔振實施控制力的作動器只需要少量的能量調(diào)節(jié)，便可以盡可能實現(xiàn)主動控制力。半主動隔振不需要主動向結(jié)構(gòu)輸入能量，而是巧妙運用外加的可調(diào)阻尼裝置（磁流變阻尼器）以控制系統(tǒng)的動力學(xué)特性，從而實現(xiàn)對最優(yōu)響應(yīng)狀態(tài)的追蹤。半主動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，無需外界能源驅(qū)動，易于實現(xiàn)，能夠達(dá)到與主動隔振相差不多的控制效果。

天棚阻尼控制算法是經(jīng)典的半主動控制算法，常常用于汽車懸架隔振系統(tǒng)，算法思想簡單，隔振效果往往能達(dá)到期望要求。“假想天棚阻尼模型”（如圖10所示）是假想負(fù)載上方總有一個固定不動的“天棚”，負(fù)載與天棚之間通過假想阻尼器進(jìn)行連接。

然而在實際情況中，不可能存在這樣一個通過阻尼器與負(fù)載連接的固定不動的“天棚”，因此，常常用一個“實際磁流變阻尼器模型”（如圖12所示）去實時等效“假想天棚阻尼模型”。

基于天棚阻尼半主動控制策略，本文是將隔振平臺這個六自由度系統(tǒng)看作6個相互獨立的子系統(tǒng)進(jìn)行單獨控制（不考慮相互影響），分別以六根支腿的運動情況作為基礎(chǔ)，應(yīng)用“天棚阻尼”半主動控制策略對六根支腿進(jìn)行分別控制。

控制過程中，通過位移傳感器測量并進(jìn)行微分運算得到磁流變阻尼器的相對運動速度，通過加速度傳感器測量及積分運算得到阻尼器兩端連接點的絕對速度，然后運用式（5）所示的控制率對單個阻尼器的出力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改變系統(tǒng)的阻尼特性。當(dāng)阻尼力取最大時，通人磁流變阻尼器允許的最大電流；當(dāng)阻尼力取最小時，通入磁流變得電流為0。

3.2實驗平臺搭建

驗證設(shè)計的星箭隔振平臺的隔振效果，搭建星箭界面地面實驗隔振平臺，如圖13所示。實驗平臺的主要參數(shù)如表1所示。實驗平臺由星箭隔振裝置、激勵系統(tǒng)和測控系統(tǒng)三部分組成。星箭隔振系統(tǒng)包括上平臺、下平臺、6根支腿、衛(wèi)星支架和負(fù)載；激勵系統(tǒng)主要由振動臺和振動臺控制器組成；傳感器、實驗儀器、控制計算機(jī)、快速原型控制系統(tǒng)和功率放大器等組成了測控系統(tǒng)。

宿主控制計算機(jī)將控制程序編譯、下載到目標(biāo)計算機(jī)中，并控制運行。同時振動臺控制器控制振動臺，使其產(chǎn)生所需的激勵，星箭隔振系統(tǒng)開始工作并產(chǎn)生響應(yīng)狀態(tài)量。通過傳感器及實驗系統(tǒng)，將星箭隔振系統(tǒng)中的物理量轉(zhuǎn)換為電信號，并被目標(biāo)計算機(jī)的控制程序采集。采集的電信號經(jīng)過控制算法演算后得到控制信號，功率放大器驅(qū)動并改變MRD動力特性，從而實現(xiàn)對星箭隔振系統(tǒng)的振動控制。

3.3實驗驗證

給星箭隔振平臺的下平臺施加縱向掃頻激勵，分別測試在被動情況下和在天棚阻尼半主動控制情況下的隔振效果，并將半主動控制的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖14所示。沿橫向施加掃頻激勵，得到橫向上對應(yīng)的結(jié)果如圖15所示。

從圖14可以看出，星箭隔振系統(tǒng)的縱向固有頻率約為9.16Hz，與仿真得到9.11Hz比較接近，隔振系統(tǒng)設(shè)計方法合理。由于磁流變阻尼器在工作過程中提供了一定的附加剛度，隔振系統(tǒng)的實際固有頻率略有偏大。而在半主動控制下，磁流變液在磁場作用下會呈半固態(tài)，磁流變阻尼器會產(chǎn)生比被動下大的附加剛度，隔振系統(tǒng)在半主動控制下的固有頻率大于在被動下的固有頻率。半主動控制的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。

比較天棚阻尼半主動控制和被動的橫向隔振效果，在低頻區(qū)天棚阻尼半主動的隔振效果非常明顯，被動情況下的共振峰傳遞率為1.97，天棚阻尼半主動控制情況下的共振峰傳遞率為1.35，相對于被動降低31.5%左右。而且，在高頻區(qū)天棚阻尼半主動隔振效果沒有被惡化。半主動控制的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。

由于振動臺的限制（起始頻率為5Hz），橫向方向上的一階固有頻率沒有體現(xiàn)出來，二階固有頻率為9.6Hz，與仿真得到的9.12Hz接近。在天棚阻尼半主動控制的情況下，低頻區(qū)隔振效果較好，高頻區(qū)的隔振效果也沒有惡化。

4.結(jié)論

基于磁流變阻尼技術(shù)設(shè)計了星箭界面隔振平臺，分析了主要特性參數(shù)包括球鉸座的安裝位置、剛度系數(shù)、以及阻尼系數(shù)對隔振平臺的固有特性的影響：球鉸座的安裝位置對縱向方向上的傳遞特性影響不明顯，而對橫向方向上的傳遞特性影響顯著；彈簧的剛度系數(shù)決定著隔振平臺的固有頻率；阻尼特性對隔振平臺的傳遞率的大小影響較大。

搭建了星箭界面隔振實驗平臺，采用天棚阻尼控制策略，實現(xiàn)了對平臺的半主動隔振控制。系統(tǒng)的動態(tài)特性測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，半主動隔振的整體效果良好。