CN104139873A - 一种用于太阳能帆板的被动式减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于太阳能帆板的被动式减振装置，安装在太阳能帆板驱动机构与帆板支架之间，包含：中间柱，分别与中间柱顶端及底端连接上法兰、下法兰；上法兰连接太阳能帆板驱动机构；下法兰连接帆板支架；阻尼器，设置在在中间柱外侧，与上法兰和下法兰连接；内剪切片与外剪切片之间设有高阻尼特性的粘弹性材料。本发明的可靠性高、寿命长、安装简单，可直接串接在太阳能帆板驱动机构和帆板支架之间，不需要大规模改动帆板结构，并且为太阳能帆板系统的各阶振动模态提供了额外的模态阻尼比，可以快速衰减太阳能帆板的挠性振动，达到提高卫星平台控制精度的目的。

Description

一种用于太阳能帆板的被动式减振装置

技术领域

本发明涉及带大型附件卫星的高精度、高稳定度控制技术，具体涉及一种被动式振动控制技术，尤其涉及一种用于太阳能帆板的被动式减振装置。

背景技术

随着航天事业的发展，航天器承担的任务越来越多，航天器结构朝着大型化、复杂化的方向发展。为降低发射成本，要求其结构尽可能轻，但又受到现有材料性能和特殊的太空工作环境限制，必然会导致空间结构在轨工作时的高柔性、低阻尼特性。

在轨工作时，一旦受到各种外部和内部的干扰很容易激起频率低、幅度大、周期长的振动，而由于其自身的低阻尼特性，激起的振动很难自行衰减。这种振动与航天器主体姿态运动相互耦合，会给卫星的指向精度带来严重影响(如美国的哈勃望远镜)，甚至会带来毁灭性的灾难。

航天器振动带来的惨重教训，几乎伴随着人类航天发展的整个过程，使得人们不得不越来越重视挠性航天器的力学问题和振动控制问题，提出了多种控制策略并逐步工程化，以保证航天器正常运行和航天使命的顺利完成。

被动控制技术简单易实现、不需要外界能量输入，系统总是稳定的，安全性好，可靠性高。它具有较长时间的应用历史和比较广泛的工程应用。动力学系统的动态特性主要取决于系统的刚度、质量和阻尼，改变阻尼会显著影响系统的响应。特别是在共振区内，增大阻尼可控制系统的响应。粘弹性材料(Viscoeastic Material，VEM)具有高阻尼特性，近年来使用粘弹性材料增加结构阻尼，己经成为被动控制技术的主要手段之一。

被动控制的典型结构是约束层阻尼(Constrained Layer Damping，CLD)结构。它是将粘弹性材料夹在需要控制的结构与约束层之间组成的结构。在这种结构中，粘弹性材料通过周期性的剪切变形来耗散振动能量以达到减振的目的。其优点是能够在不显著改变结构的质量和刚度的条件下实现削减共振峰值。由于它的高可靠性和鲁棒性，使得它在安全性和可靠性要求很高的航空航天工业中得到了广泛的应用。一些初步的研究结果表明，利用约束阻尼结构本身可以有效地实现结构振动峰值抑制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于太阳能帆板的被动式减振装置，可靠性高、寿命长、安装简单，可直接串接在太阳能帆板驱动机构和帆板支架之间，不需要大规模改动帆板结构，并且为太阳能帆板系统的各阶振动模态提供了额外的模态阻尼比，可以快速衰减太阳能帆板的挠性振动，达到提高卫星平台控制精度的目的。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种用于太阳能帆板的被动式减振装置，安装在太阳能帆板驱动机构与帆板支架之间，其特点是，包含：

中间柱；

分别与中间柱顶端及底端连接的上法兰、下法兰；

所述的上法兰连接太阳能帆板驱动机构；

所述的下法兰连接帆板支架；

阻尼器，设置在中间柱外侧，与上法兰和下法兰连接；

所述中间柱与阻尼器之间设有间隙；

当所述太阳能帆板振动时，阻尼器产生剪切变形，将振动产生的能量一部分储存起来，另一部分能量转化为热量耗散掉；

当所述太阳能帆板展开时，阻尼器在冲击作用下产生剪切变形，耗散储存的能量，削弱太阳能帆板展开到位时的冲击作用。

所述的中间柱为中空结构，具体为一柱体两端分别延伸有圆形的凸台；

所述两凸台分别连接上法兰及下法兰；

所述凸台上开设多个扇形槽，所述扇形槽平分凸台的圆周。

所述的阻尼器包含内剪切片、外剪切片及填充在内剪切片与外剪切片之间的粘弹性材料；

所述的内剪切片连接上法兰；

所述的外剪切片连接下法兰。

所述的内剪切片为空心式圆台结构，其内表面为圆柱面，外表面为锥形面。

所述的外剪切片为分体式空心圆柱结构，均分为四部分，其内表面为圆柱面，外表面为锥形面。

被动式减振装置，进一步包含温控装置，所述温控装置包含依次连接的加热电阻丝、热敏电阻及控制器；

所述加热电阻丝贴置在外剪切片的外侧。

本发明一种用于太阳能帆板的被动式减振装置与现有技术相比具有以下优点：被动式减振装置安装于太阳能帆板驱动机构与帆板支架之间，采用与太阳能帆板驱动机构接口完全相同的法兰为被动式减振装置两端接口，将被动式减振装置作为太阳能帆板支架系统的一部分，并未改变太阳能帆板驱动机构与帆板支架的总体尺寸，且不改变太阳能帆板系统的电气特性；设置在内剪切片与外剪切片之间的粘弹性材料在内、外剪切片的摩擦力作用下受剪切作用，一部分振动能转化为热能被耗散掉，从而起到减振作用；工作原理简单，结构紧凑，适用于航天器帆板系统，可以实现低频、小振动幅度下的快速阻尼与衰减；由于设有温控装置，为被动式减振装置提供最佳工作温度范围。

附图说明

图1为本发明被动式减振装置的全剖结构示意图。

图2是本发明的俯（仰）视图。

图3是本发明的整体结构示意图。

图4是本发明中间柱的结构示意图。

图5是本发明上（下）法兰的结构示意图。

图6是本发明内剪切片的结构示意图。

图7是本发明外剪切片的1/4结构示意图。

图8是本发明粘弹性材料的结构示意图。

图9是本发明温控装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1至图3所示，一种用于太阳能帆板的被动式减振装置，安装在太阳能帆板驱动机构与帆板支架之间，包含：中间柱1；分别与中间柱1顶端及底端连接的上法兰2、下法兰3；上法兰2连接太阳能帆板驱动机构的驱动机；下法兰3连接帆板支架；阻尼器4，设置在中间柱1外侧，与上法兰2和下法兰3连接；中间柱1与阻尼器4之间设有间隙；当所述太阳能帆板振动时，阻尼器4产生剪切变形，将振动产生的能量一部分储存起来，另一部分能量转化为热量耗散掉；当所述太阳能帆板展开时，阻尼器4在冲击作用下产生剪切变形，耗散储存的能量，削弱太阳能帆板展开到位时的冲击作用。

如图4所示，中间柱1为中空结构，具体为一柱体11两端分别延伸有圆形的凸台12；两凸台12分别连接上法兰2及下法兰3；凸台12上开设多个扇形槽121，图中设置三个扇形槽121，提供太阳能电池阵的电缆走线，所述扇形槽平分凸台12的圆周。中间柱1是整个被动式减振装置的骨架，起支撑和传递扭矩的作用，是提供被动式减振装置强度和刚度的主要部件。

如图5所示，上法兰2、下法兰3为完全相同的两个圆盘式零部件，是提供连接太阳能帆板驱动机构及太阳能帆板支架的接口，其接口尺寸与太阳能帆板驱动机构及太阳能帆板支架原接口尺寸相符。

阻尼器4包含内剪切片41、外剪切片43及填充在内剪切片41与外剪切片43之间的粘弹性材料42；内剪切片41通过螺栓固定安装在上法兰2上；外剪切片43过螺栓固定安装在下法兰3上。

如图6所示，内剪切片41为空心式圆台结构，其内表面为圆柱面，外表面为锥形面，外表面是与粘弹性材料43的接触面。

外剪切片43为分体式空心圆柱结构，为保证粘弹性材料42与内剪切片41、外剪切片43有效、高强度的粘贴，外剪切片6设计为分体式结构，且为了便于安装，均分为四部分，外剪切片42内表面为圆柱面，外表面为锥形面。图7为外剪切片421/4结构示意图。

内剪切片41与外剪切片43为粘弹性材料42的约束部件，粘弹性材料42首先粘贴于内剪切片41上，然后将外剪切片43粘贴在粘弹性材料42外侧。

如图8所示，粘弹性材料42为高聚物阻尼材料，采用主要以丁基橡胶、丙烯酸酯橡胶等高聚物为基体的，通过与有机低分子的相互作用，可以产生低频、小振动下的快速高阻尼效果，实现对阻尼峰值的积极调控。同时，该高聚物阻尼材料具有很好的自粘性，无需添加任何其它粘结剂就可很好的粘结在物体表面，简化了施工过程。高聚物阻尼材料的损耗因子和自粘性要通过试验进行验证。该高聚物阻尼材料经过裁剪，然后粘贴在内剪切片41上。

如图9所示，被动式减振装置，进一步包含温控装置5，所述温控装置5包含依次连接的加热电阻丝51、热敏电阻52及控制器53；加热电阻丝51贴置在外剪切片43的外侧。设置温控装置5为被动式减振装置提供最佳工作温度范围，通过加热电阻丝51为阻尼器4加热，维持阻尼器4在某个温度点之上，最佳工作温度范围是粘弹性材料产生最大阻尼比下的温度范围，应保持阻尼器4温度在这个范围内。热敏电阻52的可敏感0.1度的温度变化，能准确给出温控点对应的温度。采用简单的PID（自动控制） 即可实现温控。

具体应用： 当安装于被动式减振装置端部的挠性部件（如太阳能帆板）振动时，引起中间柱1弯曲，上法兰2、下法兰3轴心位置发生相对位移，进而引起阻尼器4的内剪切片41与外剪切片43发生相对运动，粘弹性材料42在内剪切片41与外剪切片43的摩擦力作用下受剪切作用。当粘弹性材料42内部产生交变应力和应变时，部分能量以势能的形式储存起来和释放出去，另一部分能量则转化成热量而耗散掉，表现为阻尼效应，从而起到提高系统阻尼比的作用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于太阳能帆板的被动式减振装置，安装在太阳能帆板驱动机构与帆板支架之间，其特征在于，包含：

中间柱（1）；

分别与中间柱（1）顶端及底端连接的上法兰（2）、下法兰（3）；

所述的上法兰（2）连接太阳能帆板驱动机构；

所述的下法兰（3）连接帆板支架；

阻尼器（4），设置在中间柱（1）外侧，与上法兰（2）和下法兰（3）连接；

所述中间柱（1）与阻尼器（4）之间设有间隙；

当所述太阳能帆板振动时，阻尼器（4）产生剪切变形，将振动产生的能量一部分储存起来，另一部分能量转化为热量耗散掉；

当所述太阳能帆板展开时，阻尼器（4）在冲击载荷作用下产生剪切变形，耗散储存的能量，削弱太阳能帆板展开到位时的冲击作用。

2.如权利要求1所述的被动式减振装置，其特征在于，所述的中间柱（1）为中空结构，具体为一柱体（11）两端分别延伸有圆形的凸台（12）；

所述两凸台（12）分别连接上法兰（2）及下法兰（3）；

所述凸台（12）上开设多个扇形槽（121），所述扇形槽平分凸台（12）的圆周。

3.如权利要求1所述的被动式减振装置，其特征在于，所述的阻尼器（4）包含内剪切片（41）、外剪切片（43）及填充在内剪切片（41）与外剪切片（43）之间的粘弹性材料（42）；

所述的内剪切片（41）连接上法兰（2）；

所述的外剪切片（43）连接下法兰（3）。

4.如权利要求1所述的被动式减振装置，其特征在于，所述的内剪切片（41）为空心式圆台结构，其内表面为圆柱面，外表面为锥形面。

5.如权利要求1所述的被动式减振装置，其特征在于，所述的外剪切片（43）为分体式空心圆柱结构，均分为四部分，其内表面为圆柱面，外表面为锥形面。

6.如权利要求1所述的被动式减振装置，其特征在于，进一步包含温控装置（5），所述温控装置（5）包含依次连接的加热电阻丝（51）、热敏电阻（52）及控制器（53）；

所述加热电阻丝（51）贴置在外剪切片（43）的外侧。