整星減振技術的發展趨勢

周林 范欣欣

摘 要：介紹了整星減振技術的研究背景，對整星結構響應預示方法進行了概括，分析了現有整星減振技術的優缺點，并做了總結和展望。

關鍵詞：整星減振；力學環境；結構響應；主被動一體化減振

從1993年開始，世界各國開始對整星減振技術進行了研究，改善衛星和運載火箭所處的動力學環境，保護儀器艙上精密設備，并將整星減振技術成功應用到針對各型運載火箭的發射任務，避免了衛星在主動發射階段所受到的損傷，極大地延長了衛星的使用壽命。

1 整星減振背景

衛星在全壽命周期承受的力學環境多種多樣，主要分為：類周期振動環境、瞬態沖擊環境、隨機振動環境、聲環境等。衛星力學環境引起結構振動響應，既而產生各種失效效應。例如，在靜載荷下整體結構變形過大、結構破壞；儀器設備振動響應過大，功能失效等。尤其是在主動發射階段，力學環境引起的問題最多，后果也最嚴重。因此，發射主動段整星振動響應的問題歷來是倍受關注的研究領域。此時衛星承受隨機振動環境，主要是火箭發動機產生的推力脈動和整流罩聲振環境引起的，極大地影響精密設備的性能和可靠性。大型液體火箭發動機的推力脈動值比固體發動機要小。脈動推力沿著箭體結構向上傳遞，最終通過星箭界面傳遞給衛星。各級火箭發動機工作都會產生推力脈動，而且衛星所處的振動環境還有一部分來源于整流罩的聲振環境。這兩種隨機振動環境相互綜合作為隨機振動條件的依據，頻率范圍設置為20-2000Hz，以功率譜密度作為函數描述振動環境。

在靜態加速度力學環境下，當應力超出屈服和強度極限時即可導致主結構變形或斷裂，常見的失效形式有強度破壞和穩定性破壞。在瞬態沖擊振動環境下，常引起承力件的固有頻率與瞬態振動激勵耦合產生共振，動力響應過大引起破壞。在隨機振動環境下，材料可能產生微裂紋，并隨時間不斷擴展，損傷連續累積，最后導致材料強度降低、疲勞斷裂或壽命下降，結構局部或整體破壞。當然力學環境還會導致產品的力學特性變化，設備元器件電性能變化，部件功能下降或者失效。

2 結構響應預示技術

在載荷和邊界條件作用下結構響應預示方法的發展，已從最初單純的有限元方法完善到集有限元法、統計能量法和邊界元分析方法相結合的一體的預示方法。有限元法適用于低頻段結構分析，它在理論和工程分析上已經比較成熟，通過Ansys、Abaqus等大型商業軟件就可以分析結構得到結果。但是，隨著分析頻率的提高，需要更細地劃分有限元網格，系統自由度和計算量急劇增加，給結構響應預示帶來困難。繼有限元方法之后，邊界元方法是一種新的數值計算方法。同有限元法比較，邊界元法計算量更小、精度更高，在結構聲學的數值計算方法中占主導地位。統計能量分析方法適用于高頻段，可以解決高階模態參數及模態密集等問題。國內在使用有限元法解決整星動力學響應方面已經取得了極大的進步，衛星結構的設計已經逐漸地從模態，固有頻率設計轉向動態響應設計。在結構分析之前，模型的準確性很大程度上決定分析結果的正確性。模型修正技術主要可分成矩陣修正和參數修正兩種。由于參數修正更適用于工程分析，已成為模型修正主要方法。主要有：迭代法、統計算法、優化法和遺傳算法。

3 整星減振技術發展

整星減振技術是使用隔振器來隔離火箭從星箭界面傳遞到衛星上的振動或者利用吸振器吸收衛星上振動能量，從而改善衛星的動力學環境，減小衛星精密設備損壞的風險。在整星減振中，一共有三種減振技術，分別是：被動減振，主動減振，主被動一體化減振。被動減振由于不需要額外提供能源、可靠性高、易于實現，已經得到廣泛應用。但是，被動減振器的低頻減振性能普遍較差，抗干擾能力差。國內外研究人員隨即提出了主動減振，良好的低頻減振性能正是主動減振的優點。但是主動減振也有自身的缺陷，比如：可靠性較差，需要外界能源，惡劣的噪聲降低控制精度。基于被動減振和主動減振的優缺點，研究人員提出了一種集被動和主動于一體的整星主被動一體減振器。將被動減振和主動減振的優勢結合起來，實現兩者的互補，必然會成為以后的發展趨勢。

實現主被動一體化減振的整星減振器有壓電約束層阻尼結構，磁流變阻尼器結構，超磁致伸縮器結構。壓電約束層阻尼結構，是以壓電約束層阻尼結構代替阻尼結構中的彈性約束層阻尼結構。磁流變阻尼器結構，響應快、阻尼比大，并且只需要25V以下的電壓就能正常工作，所耗散的能量很小，也是以后半主動控制發展的方向。超磁致伸縮振動控制器，可以自行吸收和利用整星結構的振動能量，通過壓磁效應可以將整星結構的振動能量轉變為電能，然后再把能量供給微型控制器件，實現整星振動控制自我供給。

4 結語

綜上所述，整星減振技術經過多年的發展，實現了被動減振，主動減振，主被動一體化減振等各項減振技術。這三種減振技術各有優缺點，以后的發展方向主要是朝著主被動一體化減振，能實現全頻域減振，無論在低頻還是高頻區域，都能達到很好的減振效果。

參考文獻：

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