在軌裝配小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)振動特性分析

馮硯博， 施偉璜， 王智磊， 趙 強， 楊玉恒， 張澤華， 馮浩龍

(1.哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院， 哈爾濱 150001； 2.上海衛(wèi)星工程研究所， 上海 200240)

1 引言

在軌裝配是在外太空環(huán)境下，將分散的結(jié)構(gòu)部件或功能模塊按要求組裝連接，構(gòu)建出新空間體，是減少成本、快速響應(yīng)、靈活拓展的有效途徑[1-3]。 美國20 世紀70 年代開始探索在軌裝配衛(wèi)星技術(shù)，如天空實驗室項目[4]。 2015 年，美國的“蜻蜓”項目在軌利用自身攜帶機器人實現(xiàn)了衛(wèi)星天線反射器的安裝與重構(gòu)[5]。 美國細胞星初始任務(wù)驗證及經(jīng)驗試驗組件到達國際空間站，在國際空間站上進行整星裝配后獨立在軌部署，2017 年進行了在軌技術(shù)驗證[6]。

微重力環(huán)境裝配對整星結(jié)構(gòu)性能的拼接剛度和抗擾穩(wěn)定等能力提出了更高的要求。 針對運載火箭和航天器的連接系統(tǒng)在振動和沖擊激勵下的動力響應(yīng)，秦朝燁等[7]使用有限元軟件ANSYS 對運載火箭和航天器耦合動力學模型進行了模態(tài)和響應(yīng)的動力學特性分析。 Da Fonseca 等[8]采用有限元方法建立了帶太陽能電池板的航天器的動力學模型，研究了利用主動控制系統(tǒng)對振動的抑制。 為了調(diào)整衛(wèi)星的固有頻率，郭金生等[9]提出一種基于結(jié)構(gòu)剛度的輕量級實現(xiàn)方案，用于調(diào)整六棱柱衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的固有頻率。 考慮衛(wèi)星的進動衰減時間和一階固有頻率，陳善搏等[10]提出一種雙隔振系統(tǒng)改變飛輪的布置結(jié)構(gòu)，用以提高高頻段的振動衰減率抑制衛(wèi)星飛輪引起的微振動。

在設(shè)計之初，通過結(jié)構(gòu)的強度和剛度等力學特性，為方案選擇提供有利依據(jù)是航天器設(shè)計的重要手段。 在軌裝配小衛(wèi)星對結(jié)構(gòu)的實用性、可靠性和靈活性要求高，且須結(jié)構(gòu)模塊化及單元設(shè)計、在軌組裝平臺技術(shù)具有工程化的可實施性[11]；衛(wèi)星材料和模塊連接件輕質(zhì)、高強度、高精度配合等方面具有特殊性和復(fù)雜性；組裝操作過程應(yīng)盡量簡單、便攜，在特性任務(wù)下具有系統(tǒng)配置的選擇性。 上述要求增加了在軌裝配小衛(wèi)星動力學性能分析的難度。

針對上述困難，本文通過對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，基于動力學固有頻率對結(jié)構(gòu)方案進行對比論證，提出一種適合在軌組裝的質(zhì)心可調(diào)節(jié)的模塊化微小衛(wèi)星方案。

2 結(jié)構(gòu)方案實用性分析

本文提出的小衛(wèi)星方案主體結(jié)構(gòu)尺寸為400 mm×400 mm×300 mm，單顆質(zhì)量為30 kg 量級。 衛(wèi)星基礎(chǔ)部件主要包括框架、面板、載荷模塊、綜合電子模塊、推力模塊、電源模塊、天線和相機以及控制模塊。 側(cè)面板用于集成太陽能電池片；上頂板提供了天線及相機的接口。 衛(wèi)星的外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Appearance and structure of the assembled satellite

衛(wèi)星內(nèi)核構(gòu)型目前常見有中心承力筒式、箱板式、多層平臺疊放式和桁架式等[12-14]。 本文針對適合小型衛(wèi)星的多層平臺堆棧式模塊化構(gòu)型和框架梁式模塊化構(gòu)型展開分析。

平臺堆棧結(jié)構(gòu)由多層平行的結(jié)構(gòu)相同但功能不同的板式構(gòu)件構(gòu)成。 采用線性堆棧層結(jié)構(gòu)，層疊結(jié)構(gòu)安裝各功能模塊，且隔層模塊之間幾乎沒有結(jié)構(gòu)耦合。 各層板體線性排布，板式結(jié)構(gòu)作為星體內(nèi)部和外壁結(jié)構(gòu)，封閉星體構(gòu)成衛(wèi)星的輪廓。星體板式構(gòu)架組合構(gòu)成衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)，各層分配為各功能模塊層[15]。

框架梁式模塊化結(jié)構(gòu)由若干桿件組成，多根桿件匯交聯(lián)結(jié)于結(jié)點[16]。 結(jié)點為剛性結(jié)點，各桿件之間的夾角保持不變，能夠傳遞力矩。 桿截面的形狀須通過優(yōu)化設(shè)計選取最佳方案。

3 動力學可靠性分析

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計中，模態(tài)和穩(wěn)定性分析是確保星體具有足夠的剛度和合理的振動特性的保障。根據(jù)模態(tài)有效參數(shù)，結(jié)合模態(tài)振型，保障結(jié)構(gòu)動態(tài)特性符合設(shè)計要求，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的缺陷，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

3.1 平臺多層堆棧式結(jié)構(gòu)模態(tài)計算

對同等尺寸和重量級規(guī)模的多層平臺堆棧式模塊化衛(wèi)星進行有限元分析。 平臺多層堆棧式結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2，包含個143 954節(jié)點，83 297個單元。 結(jié)構(gòu)框架采用高強度鋁合金。基于各向同性材料SOLID 實體單元。 對其進行模態(tài)分析，所得除前6 階剛體模態(tài)的低階模態(tài)頻率如表1，模態(tài)分析結(jié)果如圖3。

圖2 平臺多層堆棧式結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of multi-layer structure

圖3 多層結(jié)構(gòu)模態(tài)振型圖Fig.3 Modal figure of multi-layer structure

表1 層疊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前6 階模態(tài)Table 1 First six natural frequencies of multi-layer structure

通過有限元計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，平臺多層堆棧式結(jié)構(gòu)各層夾板分別是一個具有較大尺寸的整體，不容易分別各自變形，因此主要的一階模態(tài)的振型中框架整體傾斜甚至彎曲。 次之會發(fā)生各層板各自彎扭變形。 第一階模態(tài)的固有頻率為34.03 Hz。 一般衛(wèi)星的基頻為20～40 Hz，由于衛(wèi)星上的各種振動幅值最大點對應(yīng)第一階頻率[17-18]，有必要對主結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化設(shè)計。

發(fā)展輕型化的小衛(wèi)星是降低成本的重要途徑，空間材料確定后，增加結(jié)構(gòu)剛度是提高固有頻率的有效方法。 在軌裝配中零部件連接的結(jié)合部不宜采用焊接或類似的剛性固結(jié)方式。 采用螺紋和快裝卡扣的方式，連接的緊密性和配合度的要求高，但模塊組件結(jié)合的可靠性有一定限度。 這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計做本質(zhì)的改變。 綜合考慮結(jié)構(gòu)的承力、材料使用量、裝配的便攜性和可調(diào)節(jié)性，分析框架梁式結(jié)構(gòu)的動力學特性。

3.2 框架梁式結(jié)構(gòu)模態(tài)計算

相應(yīng)尺寸和質(zhì)量級的框架梁結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4，包含個182 826 節(jié)點，100 289 個單元。 利用模態(tài)分析提取無約束邊界條件下衛(wèi)星整星系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。 除剛體模態(tài)的前6 階固有頻率如表2，振型分析結(jié)果如圖5 所示。

圖4 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of the satellite structure

圖5 模態(tài)振型圖Fig.5 Modal figure

表2 系統(tǒng)的前6 階模態(tài)Table 2 First six natural frequencies of the system

由此得到，該結(jié)構(gòu)的固有頻率從61.938 Hz起始，相對多層平臺堆棧式結(jié)構(gòu)具有較高的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度。 內(nèi)部支撐縱向梁上的安裝模塊位置在1 階和2 階都發(fā)生最大變形，此為剛度最小部位，是最薄弱環(huán)節(jié)。

小衛(wèi)星系統(tǒng)增加肋板、增加支撐梁、增加厚度等方法，都會增加總體質(zhì)量，不具有可行性。 由此，可以考慮以下2 種方式提高剛度:

1)改變框架梁的位置或方向。 此結(jié)構(gòu)中，縱向梁跨度較長，其上承受的模塊較多。 橫向梁較縱向梁短，大多是為了支撐縱向梁的結(jié)構(gòu)，且其上安裝模塊較少。 由于縱向梁上的支撐的負擔較大，可以適當變換橫縱梁的支撐關(guān)系和角度，有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2)調(diào)節(jié)模塊的安裝位置，改變質(zhì)量分布。 總質(zhì)量矩陣和剛度矩陣改變，從而在不加載荷或較少施加載荷的情況下，改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 便攜性裝配方案

4.1 裝配順序

小衛(wèi)星框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的模塊組件基礎(chǔ)部件主要有框架支撐結(jié)構(gòu)、面板、載荷模塊、綜合電子模塊、推力模塊、控制模塊、天線和相機以及若干連接件等，具體設(shè)置細節(jié)如圖6 所示。 規(guī)劃裝配過程:自下而上搭建鋁合金型材四棱柱框架，從底部框架開始，依次裝配中間縱梁，到頂層框架。 各梁部件之間采用專用直角快裝卡扣連接并固定。 各功能模塊在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部固定于支撐梁上，采用專用螺紋連接件完成子系統(tǒng)的接口對接。 裝配面板貼裝有太陽能電池陣的各個側(cè)板，通過專用螺紋連接件安裝在型材框架上。

圖6 衛(wèi)星內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 Internal structure of satellite

4.2 結(jié)構(gòu)特點

1)質(zhì)心可調(diào)。 本文針對在軌衛(wèi)星裝配任務(wù)，設(shè)計框架梁式模塊化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)模型。 在鋁合金型材上預(yù)留出的滑槽，其上標定模塊安裝定位基準點，用于功能模塊準確、快速、便捷裝配。 配有鎖止機構(gòu)和解鎖機構(gòu)，用于功能模塊與框架基體的固定和分離。 滑槽移動軌跡供模塊安裝時，可以根據(jù)需要利用快裝螺紋連接件和快裝卡扣在滑槽里機動移動調(diào)整裝配位置。 框架內(nèi)部型材梁上裝配有x，y，z方向的滑槽，使小衛(wèi)星質(zhì)心可在三維空間調(diào)節(jié)。

2)足夠的內(nèi)部空間。 型材框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部施力空間大，活動范圍寬。 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部為幾根橫、縱排布的支撐梁，整體空間沒有像多層堆疊結(jié)構(gòu)的被分割。 操作容易，裝配時連接件容易施加抓持、定位和旋擰等操作。 因此，裝配快速、靈活。裝配模塊時，可以進行多角度、多方向的適應(yīng)性工作，實現(xiàn)快速組合、靈活更換和高效裝配。 此外，衛(wèi)星內(nèi)部散熱空間相對大，有利于輻射熱和電器元件的熱量散發(fā)出去。

3)有效減重。 框架結(jié)構(gòu)的重量可以通過調(diào)整支撐梁的橫截面形狀和尺寸有效減重，并保證甚至提高結(jié)構(gòu)剛度。 多層平臺堆棧式的層板可以通過調(diào)整復(fù)合板的蜂窩結(jié)構(gòu)保證剛度同時減輕重量，但蜂窩式復(fù)合板的結(jié)構(gòu)改變，相應(yīng)的制造成本增加。

5 結(jié)論

本文給出的在軌裝配小型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)解決方案采用模塊化框架式結(jié)構(gòu)，為衛(wèi)星提供了靈活的安裝面，增強了機動能力。

通過綜合計算小衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)，得到在30 kg 量級框架式模塊化比多層平臺堆棧式模塊化結(jié)構(gòu)具有更高的剛度和更加穩(wěn)定的力學性能。 本文結(jié)果可為空間實體裝配提供參考。