CN102756810A

CN102756810A - 卫星动量轮被动隔振的弹性平面索网隔振结构和隔振平台

Info

Publication number: CN102756810A
Application number: CN2012101968576A
Authority: CN
Inventors: 黄修长; 邵骁麟; 华宏星; 焦素娟
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: CN102756810B

Abstract

本发明公开了一种用于卫星动量轮在轨微振动控制的弹性平面索网隔振结构和隔振平台，该隔振结构包括由弦索网线交叉编织而成的具有预紧力的弹性平面索网，该隔振平台包括上述弹性平面索网、承力筒和中间支架，所述弹性平面索网的弦索网线纵横穿过承力筒和中间支架。本发明利用弹性平面索网在微振动时提供的弹性进行隔振以降低动量轮扰动，且可实现六自由度隔振，并通过弹性平面索网模量、弦索网线预紧力、弹性平面索网疏密度等结构参数的调整可提供足够的静态刚度，保证动量轮的力矩传递特性，不影响动量轮对在轨姿态调整的功能，具有质量轻、试装性好、设计简单等优点，能够满足质量限制和动量轮姿控机构对隔振频率的要求。

Description

卫星动量轮被动隔振的弹性平面索网隔振结构和隔振平台

技术领域

本发明涉及一种轻质被动隔振结构，具体涉及一种用于卫星动量轮在轨微振动控制的装置，该装置是由具有预紧力的弦索网线交叉编织而成的弹性平面索网隔振结构，属于减振领域。

背景技术

当今航天技术已对社会、军事、经济产生重要影响，各种卫星（如测绘卫星、侦察卫星、深空探测卫星、激光通信卫星等）对卫星指向性和观测分辨率的要求不断升级，如成像侦察卫星搭载的合成孔径雷达为了实现0.98m的最优分辨率，天线所能容许的指向精度必须在0.5角秒之内。同时，航天器上的动量轮、控制力矩陀螺、反作用喷气装置等运动部件又会不同程度地使航天器平台受到振动，引起精密的光学敏感器件和观测载荷的性能指标大幅降低，甚至失去观测目标，如干涉仪受外部环境1×10^-3 g以上的振动干扰，就可能失去成像能力。因此，必须采取适当措施保证敏感载荷处于“超静”的振动量级环境下，以实现高精度高分辨率成像。卫星在轨振动所包括的振动源包括动量轮等高速转动部件、太阳翼驱动机构、红外相机摆镜等摆动部件，研究表明，动量轮工作时产生的扰动是影响有效载荷成像质量的主要扰动源。动量轮是高精度长寿命卫星姿态控制的执行机构，具有燃料消耗少，控制精度高，对光学探测仪无环境污染，寿命长，质量轻，体积小等优点。微振动测试表明，整星的微振动环境在1×10^-3 g量级，与敏感载荷工作环境要求差距比较大（敏感载荷一般要求1×10^-4 g，悬浮加速度计要求1×10^-6～-9 g）。因为不平衡量的存在，高速旋转的动量轮引起底部安装板的响应一般为50×10^-3 g左右，引起探测仪与平台界面上的振动响应量级最高可达5×10^-3 g，远超出探测仪正常工作的允许范围。因此，必须对卫星平台的微振动干扰进行严格控制。

目前降低动量轮扰动的主要措施方案包括如下几种：一是降低振源的振动输出能量，如降低动量轮质量不平衡所产生的微振动；二是控制微振动传递过程，如利用局部刚度优化和局部阻尼处理等手段；三是通过减隔振、吸振技术降低传递到敏感载荷位置的能量。上述三种方案中，降低振源输出能量方面的研究主要集中在采用控制补偿方式抑制磁悬浮飞轮的振动，但是目前的技术能力仅能达到目前的最小静不平衡和动不平衡量；控制微振动传递过程主要通过局部刚度优化，在结构应变较大区域铺设约束阻尼层，减弱结构共振时的峰值，实现振动能量的最大耗散和衰减，但是当扰动源的频率远低于结构板的一阶固有频率（100Hz以上）时，该方案难以完全发挥约束阻尼层的减振优势，而且加强结构局部刚度，增加了卫星结构的质量，这些质量对于卫星在轨运行是多余的，因而增加了发射成本，特别是降低了卫星宝贵的有效载荷的能力；利用减隔振技术和吸振技术降低微振动的研究可以有效抑制传递到敏感载荷安装界面的响应水平。

减隔振技术和吸振技术包括两种，一种是针对敏感载荷进行隔振处理，另一种是针对干扰源进行减隔振和吸振处理。在干扰源如动量轮被动隔振方面，D. Kamesh等人【D. Kamesh, R. Pandiyan, A. Ghosal, Modeling, Journal of Sound and Vibration, 329 (2010) : 3431-3450.】采用柔性支架对动量轮进行被动隔振，并进一步在支架上附加压电作动器对支架实施主动隔振，取得了较好的隔振效果【D. Kamesh, R. Pandiyan, A. Ghosal, Journal of Sound and Vibration, 331 (2012): 1310-1330.】。但是柔性支架结构具有重量不够轻，刚度难以调节及无法将振动转化为分布力的不足。

发明内容

对于平面索网类结构，当其弦索结构被张紧力张紧时，其在垂直于弦索的方向会产生刚度，提供弹性，可以用于隔振设计。相对于柔性支架结构，平面索网类结构具有质量轻、刚度可调节及可将振动力转化为分布力的优势，因此，其能够提高卫星结构的有效载荷，且设计简单，隔振性能更优。基于此，本发明提供一种用于卫星动量轮被动隔振的弹性平面索网隔振结构和隔振平台。

本发明的技术方案如下：

一种用于卫星动量轮在轨微振动控制的弹性平面索网隔振结构，包括由具有预紧力的弦索网线交叉编织而成的弹性平面索网。

较佳地，所述弹性平面索网的弦索网线为纵横交叉编织。

较佳地，所述弹性平面索网设置为疏密度可以调节。

较佳地，所述弹性平面索网设置为弦索网线预紧力可以调节。

较佳地，所述弹性平面索网的弦索网线为耐高温的金属线。

较佳地，所述弹性平面索网的弦索网线选自钢丝、铜丝、铝丝或钢丝绳中的一种。

本发明还提供一种用于卫星动量轮在轨微振动控制的弹性平面索网隔振平台，包括由具有预紧力的弦索网线交叉编织而成的弹性平面索网、承力筒和中间支架，所述弹性平面索网的弦索网线纵横穿过承力筒和中间支架。

较佳地，所述中间支架安装在承力筒上。

较佳地，所述中间支架为井字形、圆形或多边形。

较佳地，所述的弹性平面索网隔振平台的弹性平面索网设置为摩擦力可以调节。例如，可以通过调节弹性平面索网与承力筒、弹性平面索网与中间支架间的接触方式，或者调节弹性平面索网的疏密度以调节参与摩擦的结点数量，以及改变弦索网线的材料等。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明利用弹性平面索网在微振动时提供的弹性进行隔振以降低动量轮扰动，且弹性平面索网在微振动时，具有无动态力矩薄膜特性，使卫星承力筒上仅承受分布式拉力，实现六自由度隔振，并可通过弹性平面索网模量、弦索网线预紧力、弹性平面索网疏密度等结构参数的调整提供足够的静态刚度，保证动量轮的力矩传递特性，不影响动量轮对在轨姿态调整的功能，具有质量轻、试装性好、设计简单等优点，能够满足质量限制和动量轮姿控机构对隔振频率的要求。

附图说明

图1a和图1b为本发明实施例1的井字形支架弹性平面索网的隔振平台立体结构和平面结构示意图；

图2a和图2b为本发明实施例2的圆形支架弹性平面索网的隔振平台立体结构和平面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本实施例的用于卫星动量轮在轨微振动控制的弹性平面索网隔振平台如图1a和图1b所示，该平台由承力筒4（为便于显示其内部隔振平台，承力筒4仅给出部分结构示意图）、中间支架3、由具有预紧力的弦索网线纵横交叉编织而成的弹性平面索网1（索网材料选择耐高温的金属丝制造，比如钢丝、铜丝、铝丝或钢丝绳等，以满足散热要求）组成，动量轮组件2安装在中间支架上。

在本实施例中，中间支架为井字形支架，参见图1a和图1b，动量轮组件2安装在井字形支架上，井字形支架通过八个凸台安装在承力筒4下端的框架上，弹性平面索网1的弦索网线纵横穿过井字形支架和承力筒4。

当动量轮组件2产生的微振动传递到弹性平面索网1时，弹性平面索网1的弦索网线结构被张紧力张紧，其在垂直于弦索网线的方向的预紧力和变形会产生刚度，提供弹性，以抵抗外载荷，而且弹性平面索网1在微振动时，具有无动态力矩薄膜特性，使承力筒4上仅承受分布式拉力，可提供六个自由度的弹性隔振。此外，弹性平面索网1结点间、弹性平面索网1与中间支架3间，弹性平面索网1和承力筒4间、索网材料内部在振动载荷下产生的摩擦可以耗散振动能量。

实施例2

本实施例的用于卫星动量轮在轨微振动控制的弹性平面索网隔振平台如图2a和图2b所示，该平台由承力筒4（为便于显示其内部隔振平台，承力筒4仅给出部分结构示意图）、中间支架3、由具有预紧力的弦索网线纵横交叉编织而成的弹性平面索网1（索网材料选择耐高温的金属丝制造，比如钢丝、铜丝、铝丝或钢丝绳等，以满足散热要求）组成，动量轮组件2安装在中间支架上。

在本实施例中，中间支架为圆形支架，参见图2a和图2b，动量轮组件2安装在圆形支架上，弹性平面索网1的弦索网线纵横穿过圆形支架和承力筒4，圆形支架通过横穿其中的弹性平面索网1和承力筒4相连。圆形支架可获得旋转对称的刚度和性能，其可适当布置在弹性平面索网结构的圆形节线上。

当动量轮组件2产生的微振动传递到弹性平面索网1时，弹性平面索网1的预紧力和变形产生弹性力以抵抗外载荷，而且弹性平面索网1在微振动时，具有无动态力矩薄膜特性，使承力筒4上仅承受分布式拉力，可提供六个自由度的弹性隔振。此外，弹性平面索网结点间、弹性平面索网与中间支架间，弹性平面索网和承力筒间、索网材料内部在振动载荷下产生的摩擦可以耗散振动能量。

实施例3

本实施例与实施例2的不同之处在于，所述中间支架为多边形，如三边形、四边形、五边形、六边形、八边形等，此处多边形的边数可为任意，上述列举仅为举例，不用于限定。

在本发明中，中间支架的形状不限，可为任意的可达到相应功能的形状，针对于不同的中间支架形状，中间支架与承力筒的连接可选择各种不同方式，以上实施例中对中间支架的形状及中间支架与承力筒的连接方式的说明仅为举例，不应作限制性理解。

采用弹性平面索网结构是一种纯被动的隔振方式，具有质量轻、试装性好、设计简单等优点，能够满足质量限制和动量轮姿控机构对隔振频率的要求；其利用弹性平面索网在微振动时提供的弹性进行隔振，并使卫星承力筒上仅承受分布式拉力，实现六自由度隔振；另外，通过调整弹性平面索网模量（如采用弹性模量不同的金属系材料、采用截面尺寸不同的金属线等）、弦索网线预紧力、弹性平面索网疏密度等结构参数可提供足够的静态刚度，保证动量轮的力矩传递特性，不影响动量轮对在轨姿态调整的功能。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种用于卫星动量轮在轨微振动控制的弹性平面索网隔振结构，其特征在于，包括由具有预紧力的弦索网线交叉编织而成的弹性平面索网。

2.如权利要求1所述的弹性平面索网隔振结构，其特征在于，所述弹性平面索网的弦索网线为纵横交叉编织。

3.如权利要求1所述的弹性平面索网隔振结构，其特征在于，所述弹性平面索网设置为疏密度可以调节。

4.如权利要求1所述的弹性平面索网隔振结构，其特征在于，所述弹性平面索网设置为弦索网线预紧力可以调节。

5.如权利要求1所述的弹性平面索网隔振结构，其特征在于，所述弹性平面索网的弦索网线为耐高温的金属线。

6.如权利要求5所述的弹性平面索网隔振结构，其特征在于，所述弹性平面索网的弦索网线选自钢丝、铜丝、铝丝或钢丝绳中的一种。

7.一种用于卫星动量轮在轨微振动控制的弹性平面索网隔振平台，其特征在于，包括由具有预紧力的弦索网线交叉编织而成的弹性平面索网、承力筒和中间支架，所述弹性平面索网的弦索网线纵横穿过承力筒和中间支架。

8.如权利要求7所述的弹性平面索网隔振平台，其特征在于，所述中间支架安装在承力筒上。

9.如权利要求7所述的弹性平面索网隔振平台，其特征在于，所述中间支架为井字形、圆形或多边形。

10.如权利要求7-9中任一项所述的弹性平面索网隔振平台，其特征在于，所述的弹性平面索网隔振平台的弹性平面索网设置为摩擦力可以调节。