CN102486212B - 卫星有效载荷多自由度隔振器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械振动隔离领域，具体涉及一种卫星有效载荷多自由度隔振器及系统。本发明提出的隔振器由壳体、运动导杆、金属丝网络材料构件、柔性铰、微调弹簧、壳体上下端盖构成，具有结构紧凑、性能可靠、工作寿命长等优点。提出的按照一定几何构型排布的隔振器构成的隔振系统安装在效载荷和卫星之间，能够隔离各个方向卫星平台传递至有效载荷的振动；隔振器通过柔性铰与有效载荷和卫星连接，避免了间隙和碰撞等问题。

Description

卫星有效载荷多自由度隔振器及系统

技术领域

本发明属于机械振动隔离领域，具体涉及一种卫星有效载荷多自由度隔振器及系统。

背景技术

近年来，随着航天技术的发展，对地观测及天文观测卫星的分辨率越来越高。随之而来的一个重要问题是，卫星平台上姿态控制飞轮、跟踪扫描机构等运动部件产生的振动对有效载荷工作质量的影响也越来越大。这些振动虽然量级较小，但会使空间相机拍摄的高分辨率图像变得模糊，无法达到预期的工作性能。解决这一问题的方法包括对振源进行隔振和对有效载荷进行隔振两种。但由于卫星上的振源有多种，且可能分布在星上的各个位置，对其全部采取隔振措施实施难度较大，因而对有效载荷进行隔振是降低星上振动影响的一种直接有效的方法。

隔振方法可以分为被动隔振与主动隔振两种。被动隔振采用弹簧、阻尼器等无需消耗能源的被动隔振元件构成隔振装置，安装在振动传递的路径上，实现对振动的隔离。被动隔振在多数情况下可以获得较为理想的隔振性能，且无需消耗能源，构成简单，可靠性高。主动隔振采用传感器检测隔振对象的位移、速度、加速度等物理量，按照一定的控制规律，通过压电作动器等执行元件对隔振对象施加力的作用，减小振动对隔振对象的扰动从而实现振动隔离。主动隔振通常可以获得比被动隔振更好的隔振效果，但也存在系统复杂，可靠性低等问题。从可靠性、隔振性能、研发周期、制造成本等方面综合考虑，针对卫星有效载荷隔振的问题，采用被动隔振是一种更为恰当的方法。

传统的隔振器通常只在轴向具有较好的隔振效果，而实际的隔振对象通常具有三个平动、三个转动共六个刚体运动自由度。因此，往往采用六个单向隔振器按照一定的几何构型构成隔振系统，实现对隔振对象的多自由度隔振。为了保证每个单向隔振器只发生轴向伸缩变形，隔振器两端通常采用球铰与隔振对象和基础相连。为了保证能够灵活地运动，球铰的球头与球窝之间通常存在数十微米的间隙。对于普通量级的振动，这种间隙对隔振性能的影响可以忽略不计，但卫星平台上的振动量级非常微小，其幅值在若干微米，球铰的间隙会严重影响隔振系统的隔振性能，包括使隔振系统的固有频率偏离设计值、使阻尼器起不到应有的阻尼效果，并可能造成额外的碰撞与冲击。

发明内容

本发明提供了一种新型隔振器和利用这种隔振器构成的隔振系统，通过被动隔振方法减小传递至卫星有效载荷的振动量级，提出的隔振系统安装在效载荷和卫星之间，将有效载荷与卫星的刚性连接替换为柔性连接，达到隔离振动的目的。

本发明提出的隔振器由壳体、运动导杆、金属丝网络材料构件、柔性铰、微调弹簧、壳体上下端盖构成。金属丝网络材料构件使用金属丝压制而成，具有较高的阻尼水平与呈硬特性的非线性刚度，外周与隔振器壳体内壁固定，中心与运动导杆固定。

壳体顶端开孔，运动导杆从壳体顶端开孔处穿入壳体内部，并与壳体顶端孔留有间隙，下半部嵌入至壳体中的金属丝网络材料构件中，并与之固定连接。运动导杆运动会导致金属丝网络材料构件发生变形，从而产生隔振所需要的弹性回复力与阻尼力，同时利用其硬特性非线性刚度实现在轨小幅振动隔离所需的低刚度以及发射段大幅振动限位所需的高刚度。

运动导杆顶端通过柔性铰与有效载荷连接，壳体底座通过柔性铰与卫星平台连接，避免了传统铰链间隙导致的不确定因素。柔性铰是通过在运动导杆顶端以及壳体底端连接杆上切割出一定形状的槽来实现的，开槽的方式使隔振器具有期望的总体横向刚度。

由于金属丝网络材料的刚度不易准确控制，运动导杆底端连接微调弹簧，从而对总体刚度进行调整，实现设计的隔振频率。

本发明提出的隔振系统由若干个上述隔振器按照一定的排布方式构成，与有效载荷、卫星平台之间固定连接，避免了传统隔振系统采用球铰连接导致的间隙、碰撞等问题。

隔振器的排布方式需要根据实际有效载荷的几何形状、质量特性与安装座分布情况确定，确保能够稳定地支撑有效载荷。为了减小对有效载荷及卫星平台结构的改动，隔振器可布置在有效载荷原有安装座的位置以方便连接。

隔振器的排布方式确定后，根据隔振性能的需求，即可以确定对每个隔振器的横向及纵向刚度需求，并进一步确定隔振器柔性铰、金属网络材料构件、微调弹簧的刚度参数。每个隔振器的刚度参数与实际的排布方式共同保证有效载荷的固有频率与隔振性能。

本发明的优点：

1.可以在发射段与在轨段两种状态下工作。金属丝网络材料具有小变形时刚度小、大变形时刚度大的硬特性非线性刚度，可以同时满足在轨隔振与发射段限位的需要。

2.全部采用金属材料制成，工作稳定、性能可靠。隔振需要的阻尼使用金属网络材料剪切变形产生，与流体阻尼相比，具有不易受空间环境影响、无泄漏问题等优点。

附图说明

图1是隔振器结构示意图；

图2是四个隔振器构成的隔振系统示意图；

图3是六个隔振器构成的隔振系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施方式。

隔振器的实施方式：

如图1所示，隔振器由壳体1、壳体上端盖3、壳体下端盖6、金属网络材料构件2、运动导杆4、微调弹簧5、运动导杆柔性铰4-1、下端盖柔性铰6-1组成。

壳体1为圆柱形，上下两端分别与壳体上端盖3、壳体下端盖6固定连接；

微调弹簧5置于壳体1内部，其底端与壳体下端盖6固定连接；

金属网络材料构件2为空心圆柱形，置于壳体1内部，置于微调弹簧5之上，外周固定连接在壳体1内壁；

壳体上端盖3开有圆孔，导杆4由圆孔处穿入，并与圆孔留有间隙；导杆4下半部嵌入金属网络材料构件2中，并与之固定连接，导杆4下端与微调弹簧5固定连接；

运动导杆柔性铰4-1位于运动导杆4顶端，下端盖柔性铰6-1位于壳体下端盖6底端；

壳体、导杆与微调弹簧均采用金属材料制成。

当导杆和壳体发生相对运动时，金属网络材料构件发生变形，从而提供微振动隔离所需的弹性回复力与阻尼力。而金属网络材料的非线性刚度特性可以同时提供在轨隔离小幅振动所需的低刚度与发射段大振幅情况下防止过大变形所需的高刚度。

微调弹簧5一方面对隔振器刚度进行调整，使隔振器准确达到设计的刚度值；另一方面起到辅助限位的作用。

隔振系统实施方式一：

如图2所示，本隔振系统实施方式由安装在有效载荷9现有的安装座与相应的卫星7支撑结构之间的若干个竖直安装的本发明给出的隔振器8构成，隔振器数量根据有效载荷现有安装座的数量确定。隔振器上下两端分别通过运动导杆柔性铰4-1、下端盖柔性铰6-1与有效载荷连接、卫星平台连接。例如，有效载荷有4个安装座时，可以在每个安装座与卫星结构之间放置一个隔振器，以实现振动的隔离。按照这种方式构成的隔振系统优点是可以尽可能减小对现有有效载荷及卫星结构的改动。

根据有效载荷对扰振力隔离的需求，以及单自由度隔振装置传递率曲线，可以估算出隔振系统的固有频率，然后根据已经确定的隔振器数量、位置及有效载荷的质量分布情况，采用有限元方法可以计算出能够实现该固有频率的单件隔振器横向与纵向刚度要求。调整金属丝网络材料构件的直径、高度、弹性模量、微调弹簧的丝径、直径、高度，以及柔性铰开槽后剩余部分的厚度、高度等参数至刚度值满足要求。

隔振系统实施方式二：

如图3所示，本隔振系统实施方式由安装在有效载荷9与卫星7之间的六个倾斜安装的本发明给出的隔振器8构成。六个隔振器分为三组，每组由两个隔振器构成“八”字型放置。三组隔振器均匀分布在一个圆周上，共同支撑有效载荷。隔振器上下两端分别通过运动导杆柔性铰4-1、下端盖柔性铰6-1与有效载荷连接、卫星平台连接。按照这种方式构成的隔振系统，其优点是可以使每个隔振器近似工作在轴向拉压的状态，对单件隔振器的横向刚度要求不高，降低单件隔振器参数调整的难度。

根据有效载荷对扰振力隔离的需求，以及单自由度隔振装置传递率曲线，可以估算出隔振系统的固有频率。调整隔振器的轴向刚度、倾斜角度、分布圆周直径等参数，直到固有频率满足要求。

根据确定的单件隔振器轴向刚度需求，调整金属丝网络材料构件的直径、高度、弹性模量、微调弹簧的丝径、直径、高度，以及柔性铰开槽后剩余部分的厚度、高度等参数至刚度值满足要求。

Claims (4)

1.一种卫星有效载荷多自由度隔振器，其特征在于，由壳体(1)、壳体上端盖(3)、壳体下端盖(6)、金属丝网络材料构件(2)、运动导杆(4)、微调弹簧(5)、运动导杆柔性铰(4-1)、下端盖柔性铰(6-1)构成；其中：

壳体(1)为圆柱形，上下两端分别与壳体上端盖(3)、壳体下端盖(6)固定连接；

微调弹簧(5)置于壳体(1)内部，其底端与壳体下端盖(6)固定连接；

金属丝网络材料构件(2)为空心圆柱形，置于壳体(1)内部，置于微调弹簧(5)之上，外周固定连接在壳体(1)内壁；

壳体上端盖(3)开有圆孔，导杆(4)由圆孔处穿入，并与圆孔留有间隙；导杆(4)下半部嵌入金属丝网络材料构件(2)中，并与之固定连接，导杆(4)下端与微调弹簧(5)固定连接；

运动导杆柔性铰(4-1)位于运动导杆(4)顶端，下端盖柔性铰(6-1)位于壳体下端盖(6)底端；

所述金属丝网络材料构件(2)使用金属丝压制而成，具有较高的阻尼水平与呈硬特性的非线性刚度；当导杆(4)和壳体(1)发生相对运动时金属丝网络材料构件(2)发生变形，从而提供微振动隔离所需的弹性回复力与阻尼力；而金属丝网络材料的非线性刚度特性可以同时提供在轨隔离小幅振动所需的低刚度与发射段大振幅情况下防止过大变形所需的高刚度。

2.如权利要求1所述的隔振器，其特征在于，所述壳体(1)、壳体上端盖(3)、壳体下端盖(6)、运动导杆(4)、微调弹簧(5)均采用金属材料制成。

3.一种如权利要求1所述隔振器组成的系统，其特征在于，由竖直安装在有效载荷安装座与相应的卫星支撑结构之间的所述隔振器构成，隔振器数量根据有效载荷现有安装座的数量确定；隔振器上下两端分别通过运动导杆柔性铰(4-1)、下端盖柔性铰(6-1)与有效载荷连接、卫星平台连接。

4.一种如权利要求1所述隔振器组成的系统，其特征在于，由6个倾斜安装在有效载荷与卫星之间的所述隔振器构成；6个隔振器分为三组，每组两个隔振器成“八”字型放置；三组隔振器均匀分布在圆周上，共同支撑有效载荷；隔振器上下两端分别通过运动导杆柔性铰(4-1)、下端盖柔性铰(6-1)与有效载荷连接、卫星平台连接。

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