橡膠減振墊在航天器中的應用及驗證

張正峰，葉 青，呂 鵬，李 青，于杭健

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

橡膠減振墊在航天器中的應用及驗證

張正峰，葉 青，呂 鵬，李 青，于杭健

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

文章針對某航天器振動試驗過程中出現的自鎖閥及其安裝支架振動響應放大問題，提出了一種采用橡膠減振墊的解決措施，給出了增加減振墊后設備安裝的剛度模型及其分析，并通過振動試驗驗證了這種方法的有效性。試驗結果表明：采用橡膠減振墊可以較好地解決部分航天器上儀器設備在振動環境條件下響應超標的問題，措施簡單有效，滿足使用要求，具有一定的推廣應用價值。

航天器；橡膠減振墊；剛度模型；理論分析；自鎖閥；振動試驗；振動響應

0 引言

運載火箭在發射過程中產生的振動、噪聲及沖擊環境是航天器上儀器設備需要首先應對的重要問題。在航天器工程設計過程中，由于受航天器主承力結構特性、單機產品及安裝支架重量和尺寸大小的限制，單機產品部件需要承受較為惡劣的力學環境，為此需采取一定的減振措施。常規的減振方式有使用彈簧阻尼元件、橡膠減振墊等。其中，橡膠減振墊可通過變形把輸入的能量轉換成內能，在沖擊過后再將這部分能量釋放出來，具有良好的抗振動和沖擊性能，且能夠滿足高真空、高低溫等惡劣空間環境下的使用要求，已經在國內外得到廣泛應用[1-4]。

本文針對某航天器在振動試驗過程中出現的氣路自鎖閥振動響應放大問題，開展了利用橡膠減振墊進行減振的分析與驗證工作。

1 問題描述及橡膠減振墊的應用背景

在某型號航天器的研制過程中，受限于星上的安裝空間，某氣路自鎖閥先通過底部安裝螺釘緊固在橋式安裝支架上，再用螺釘固接于衛星結構板上，如圖1所示。

圖1 自鎖閥安裝結構Fig. 1 Installation of the self-locking valve

為驗證自鎖閥自身性能對力學環境的適應性，對其開展了隨機振動試驗，試驗狀態如圖2所示。在依次進行的3個方向的試驗中，自鎖閥通過了x向、y向的試驗考核，但未通過z向的試驗考核——振動導致閥門的開關狀態發生了切換。通過對振動試驗響應曲線（見圖3）進行判讀，當總均方根加速度輸入為 15.8g時，自鎖閥在y方向響應最大（112.3g），x向和z向的響應分別為19.4g和96.9g。在對自鎖閥及安裝支架進行的沖擊試驗（沖擊譜加速度最大為1000g，Q=10）過程中，自鎖閥也未能通過y向和z向的試驗考核。

圖2 自鎖閥隨機振動試驗狀態Fig. 2 The self-locking valve in the random vibration test

圖3 自鎖閥隨機振動試驗響應曲線（減振前）Fig. 3 Random vibration reponse of the self-locking valve(before vibration reduction)

分析試驗數據：由于支架與自鎖閥相互影響，使得二者在高頻處的響應能量較大，從而令自鎖閥產品狀態發生改變；通過對不同形式的自鎖閥支架進行力學分析，發現在同種結構形式的情況下，加強或改進支架對于降低振動試驗響應無明顯效果。

針對此問題，需采取措施降低自鎖閥在振動情況下的力學響應，即提高安裝支架自身或安裝界面處的阻尼系數。通過對不同減振方案的分析對比，最簡單有效的是橡膠減振墊的減振方式，并對其進行應用設計和試驗驗證。

2 橡膠減振墊的剛度模型與材料選取

在自鎖閥安裝支架下方設置橡膠減振墊，增加橡膠墊后的安裝形式如圖4所示，該安裝形式可簡化為由阻尼系數為C的阻尼器和剛度為K的線性彈簧組成的振動系統[5]。

圖4 自鎖閥安裝橡膠減振墊后的形式與簡化模型Fig. 4 Installation of the self-locking valve with rubber absorber and the simplified model

在簡諧激振力F(t)的作用下，系統的運動方程為

方程的特解為

自鎖閥的響應為為衡量減振效果，引入主動減振系數η，其值為響應F1與輸入激勵F0之比

對質量為M的系統，其固有頻率fn和臨界阻尼Cc的表達式為

由以上各式可知，當λ＞時，減振系數η＜1，能夠起到減振作用，這就要求橡膠減振墊的K值較小。通過對多種不同橡膠材料的比較，采用某航天研究所生產的一種常態硅橡膠材料 ZN-35制成硅橡膠墊。該類橡膠材料內部分子結構穩定，具有良好的減振緩沖性能，能夠耐受航天器在軌期間的真空、粒子輻射等環境，滿足使用要求。ZN-35硅橡膠材料性能指標如表1所示。

表1 ZN-35硅橡膠材料性能指標Table 1 Performance index of the ZN-35 rubber

3 應用橡膠減振墊后效果驗證

對應用了橡膠減振墊的自鎖閥及安裝支架開展同量級的隨機振動試驗，自鎖閥狀態穩定，未發生開關切換現象，各方向試驗均順利通過。對試驗后的測量數據進行判讀可知，自鎖閥在x、y、z這3個方向上的總均方根加速度響應值如表2所示，z方向響應最大（47.0g），振動響應曲線如圖5所示。通過表2可以看出：x向響應有所增大，因為安裝支架跨距較小，增加橡膠墊后導致頂端響應放大，但仍在自鎖閥可承受范圍之內；y向、z向響應明顯減小，振動響應較減振前分別減小 62%和51%，特別是在高頻能量的抑制方面，減振效果明顯。試驗過程中，閥門的開關狀態穩定，未發生切換現象，達到預期效果。

表2 減振前后自鎖閥隨機振動試驗響應值對比Table 2 Comparison of the reponses of the self-locking valve in the random vibration test

圖5 自鎖閥隨機振動試驗響應曲線（減振后）Fig. 5 Random vibration reponse of the self-locking valve(after vibration reduction)

同樣的，在重新對自鎖閥及安裝支架進行的沖擊試驗中，自鎖閥均順利通過各方向的試驗考核，沖擊響應量級明顯降低。

4 結束語

本文針對航天器振動試驗過程中出現的自鎖閥振動響應放大問題，分析了增加橡膠減振墊后的剛度模型，并通過試驗對減振效果進行了驗證，結果表明采用橡膠減振墊是一種簡單有效的措施，滿足在軌使用要求。本方法對于解決其他航天器上儀器設備在振動和沖擊環境條件下響應超標的問題具有一定的推廣借鑒作用。

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Application and verification of rubber absorber in spacecrafts

ZHANG Zhengfeng, YE Qing, Lü Peng, LI Qing, YU Hangjian
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

This paper studies the response amplification of the self-locking valve during the spacecraft vibration test, proposes a damping method using rubber absorbers, and analyzes it with a stiffness model of the valve installed with the rubber absorbers. The effectiveness of this method is verified by the vibration test, and it is shown that with the rubber absorbers, the response amplification problem can be solved for some instruments of the spacecraft in the vibration environment. This solution is simple and effective, and can meet the application requirements, with a good engineering value.

spacecrafts; rubber absorber; stiffness model; theoretical analysis; self-locking valve; vibration test; vibration responses

TB535+.1

A

1673-1379(2017)05-0549-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.017

2017-06-15；

2017-09-04

國家重大科技專項工程

張正峰, 葉青, 呂鵬, 等. 橡膠減振墊在航天器中的應用及驗證[J]. 航天器環境工程, 2017, 34(5): 549-552

ZHANG Z F, YE Q, Lü P. et al. Application and verification of rubber absorber in spacecrafts[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 549-552

（編輯：馮露漪）

張正峰（1979—），男，碩士學位，高級工程師，主要從事深空探測航天器總體設計及研發工作。E-mail:zhfengzh@163.com。