CN107255131A - 一种基于bi‑pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于bi‑pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，涉及光学遥感隔振技术领域；包括下转接支座、隔振金属外杆、隔振金属内杆和上转接支座；其中，下转接支座位于同一平面内，下转接支座水平固定在遥感器阻尼隔振装置的低端；隔振金属外杆的一端与下转接支座固定连接；隔振金属外杆的内部固定安装隔振金属内杆，且隔振金属内杆伸出隔振金属外杆的轴向上端面；隔振金属内杆伸出隔振金属外杆的一端固定连接；上转接支座固定安装在隔振金属内杆的连接处；本发明减振效率高，消耗系统资源少，实现刚度支撑结构与阻尼减振结构功能性分离，避免隔振系统刚度难以有效维持的技术问题，解决阻尼隔振系统工作段温度保持问题。

Description

一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置
技术领域
本发明涉及一种光学遥感隔振技术领域，特别是一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置。
背景技术
航天发射过程振动环境具有大量级，宽频域的特点。航天精密光学遥感器在运送至预定轨道的过程中，发射阶段的振动力学环境相当恶劣，美国国家航空航天局研究报告(NASA TN D-6474,September,1971.)指出：航天设备故障约45％是发射过程中的振动造成的。随着光学遥感事业的飞速发展，对高分辨率相机的需求日益凸显。大口径、长焦距的发展趋势使得光学遥感器的规模从小型逐渐向中型、大型方向演化。由于航天光学遥感器所处的特殊环境，减振器要求在在发射过程中不被破坏，又要求在轨时能在很大的温差范围内起到定位支撑作用，而现有隔振器无法兼顾这种要求，如美国CSA公司SoftRideUniFlex/MultiFlex型整星隔振器，由钛合金材料制成口型支架，上下水平部分贴敷阻尼层，钛合金支架水平部分的弯曲变形带动阻尼层伸张变形，虽钛合金支架具有定位支撑作用，但试验表明，阻尼材料伸张变形起到的耗能效果很小；美国JWST太空望远镜中主光学支撑杆也采用贴敷阻尼层及约束层的方法，但其只是在望远镜在轨阶段提供1HZ超低频隔振，同时，为防止约束阻尼层阻尼性能受到太空环境而失效，该支撑杆外侧需采用特殊材料进行包裹。
Bi-pod支撑结构的设计思路是采用三组双脚支撑结构实现遥感相机镜头的高稳定性柔性支撑。一般采用对支撑杆的夹角、特定方向刚度进行设计，实现一定刚度范围内轴向和径向的支撑卸载。基于Bi-pod形式的空间相机镜头支撑技术在国内外有大量应用,如美国CSA公司研制的SUITE(Satellite Ultra-quiet Isolation Technology Experiment)隔振平台以及MVIS(Miniature Vibration Isolation System)主被动混合式隔振系统。但上述系统均只适用于轻载荷隔振，且均需控制系统及能源才能运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，减振效率高，消耗系统资源少，同时实现刚度支撑结构与阻尼减振结构功能性分离，避免阻尼层受到太空环境影响失效后，隔振系统刚度难以有效维持的技术问题，解决阻尼隔振系统工作段温度保持问题，同时实现阻尼隔振系统对遥感器光学系统可能发生的污染防护。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，包括2个下转接支座、2个隔振金属外杆、2个隔振金属内杆和上转接支座；其中，2个下转接支座位于同一平面内，2个下转接支座水平固定在遥感器阻尼隔振装置的低端，实现与外部卫星连接；2个隔振金属外杆的一端分别与2个下转接支座固定连接；每个隔振金属外杆的内部分别固定安装1个隔振金属内杆，且隔振金属内杆伸出隔振金属外杆的轴向上端面；2个隔振金属内杆伸出隔振金属外杆的一端固定连接；上转接支座固定安装在2个隔振金属内杆的连接处；上转接支座实现与外部遥感相机的连接。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述的隔振金属外杆内壁与隔振金属内杆外壁为孔轴间隙配合，配合间隙为0.005～0.01mm；隔振金属外杆与隔振金属内杆的轴向相对滑动量为0.1mm-1mm；隔振金属内杆和隔振金属外杆的承载量为3-4倍安全系数。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述隔振金属外杆包括外杆铰接孔、外杆锯齿状凹槽和外杆约束层；其中，隔振金属外杆通过外杆铰接孔实现与下转接支座的连接；外杆锯齿状凹槽固定安装在外杆铰接孔的上端；外杆约束层固定安装在外杆锯齿状凹槽的上端。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述隔振金属内杆包括内杆铰接孔、内杆锯齿状凹槽和内杆约束层；其中，隔振金属内杆通过内杆铰接孔与上转接支座连接；内杆约束层固定安装在内杆铰接孔的下部；内杆锯齿状凹槽固定安装在内杆约束层的下部；内杆锯齿状凹槽与隔振金属外杆的外杆锯齿状凹槽对应配合；内杆约束层与外杆约束层对应配合。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述外杆锯齿状凹槽的侧壁设置有阻尼材料灌封孔，采用高温灌注的方法通过阻尼材料灌封孔在外杆锯齿状凹槽内壁与内杆锯齿状凹槽外壁之间注入阻尼材料。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述外杆约束层的侧壁顶部设置有光学密封橡胶灌封孔；通过光学密封橡胶灌封孔在外杆约束层与内杆约束层之间注入光学密封橡胶。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述外杆约束层和内杆约束层均匀等距设置有约束层，且外杆约束层和内杆约束层的约束层数相同，均为4-8层；每层约束层厚度为2-3mm；相邻两层约束层间隔为0.1-1mm。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述阻尼材料的损耗因子为0.5-2；且阻尼材料与金属杆的粘接强度不低于1Mpa；所述光学密封橡胶与金属杆的粘接强度不低于1Mpa。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，2个隔振金属内杆与上转接支座之间的夹角a为20-170°。
在上述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，所述遥感器阻尼隔振装置的侧面包覆有隔热组件。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明通过隔振系统，提供有效的航天遥感器发射段减振效果，通过减振系统中阻尼耗能材料，将激励载荷的机械能转变为热能，通过相机散热结构排散到深冷空间中，能量转换快捷有效；
(2)本发明采用孔轴配合式杆件提供阻尼约束剪切耗能，同时通过金属刚度约束层配合光学密封橡胶提供轴向支撑刚度，可以提供稳定的光学遥感相机支撑刚度以及有效的变形量控制；
(3)本发明采用bi-pod支撑形式的阻尼隔振组件，可以通过杆件角度调节以及不同杆件组之间的位置调节，实现隔振系统大范围支撑刚度的有效准确调节，适应不同重量的光学遥感器隔振刚度需求；
(4)本发明采用多层隔热材料对隔振系统进行密封包覆，实施简便，质量轻，既可提供阻尼隔振杆工作温度环境，同时可有效防止隔振系统高分子材料在轨老化对航天光学遥感器的潜在污染。
附图说明
图1为本发明的隔振杆件单元组装示意图；
图2为本发明的金属支撑外筒剖面图；
图3为本发明的金属支撑内筒示意图；
图4为本发明的bi-pod型阻尼隔振组件装配示意图；
图5为本发明的bi-pod型阻尼隔振组件包覆多层隔热组件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振方法，避免了复杂的电控、热控、遥测、遥控等控制手段，减振效率高，消耗系统资源少，同时实现刚度支撑结构与阻尼减振结构功能性分离，避免阻尼层受到太空环境影响失效后，隔振系统刚度难以有效维持的技术问题，另外，采用多层隔热材料对阻尼隔振系统进行密封包覆，解决阻尼隔振系统工作段温度保持问题，同时实现阻尼隔振系统对遥感器光学系统可能发生的污染防护。
如图1所示为隔振杆件单元组装示意图，如图4所示为bi-pod型阻尼隔振组件装配示意图，由图可知，一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，包括2个下转接支座11、2个隔振金属外杆1、2个隔振金属内杆2和上转接支座12；其中，2个下转接支座11位于同一平面内，2个下转接支座11水平固定在遥感器阻尼隔振装置的低端，实现与外部卫星连接；2个隔振金属外杆1的一端分别与2个下转接支座11固定连接；每个隔振金属外杆1的内部分别固定安装1个隔振金属内杆2，且隔振金属内杆2伸出隔振金属外杆1的轴向上端面；2个隔振金属内杆2伸出隔振金属外杆1的一端固定连接；上转接支座12固定安装在2个隔振金属内杆2的连接处；上转接支座12实现与外部遥感相机的连接。2个隔振金属内杆2与上转接支座12之间的夹角a为20-170°。
其中，隔振金属外杆1内壁与隔振金属内杆2外壁为孔轴间隙配合，配合间隙为0.005～0.01mm；隔振金属外杆1与隔振金属内杆2的轴向相对滑动量为0.1mm-1mm；隔振金属内杆2和隔振金属外杆1的承载量为3-4倍安全系数。
如图2所示为金属支撑外筒剖面图，有图可知，隔振金属外杆1包括外杆铰接孔4、外杆锯齿状凹槽7和外杆约束层8；其中，隔振金属外杆1通过外杆铰接孔4实现与下转接支座11的连接；外杆锯齿状凹槽7固定安装在外杆铰接孔4的上端；外杆约束层8固定安装在外杆锯齿状凹槽7的上端。
如图3所示为金属支撑内筒示意图，由图可知，隔振金属内杆2包括内杆铰接孔3、内杆锯齿状凹槽9和内杆约束层10；其中，隔振金属内杆2通过内杆铰接孔3与上转接支座12连接；内杆约束层10固定安装在内杆铰接孔3的下部；内杆锯齿状凹槽9固定安装在内杆约束层10的下部；内杆锯齿状凹槽9与隔振金属外杆1的外杆锯齿状凹槽7对应配合；内杆约束层10与外杆约束层8对应配合。
外杆约束层8和内杆约束层10均匀等距设置有约束层，且外杆约束层8和内杆约束层10的约束层数相同，均为4-8层；每层约束层厚度为2-3mm；相邻两层约束层间隔为0.1-1mm。
如图4所示为bi-pod型阻尼隔振组件装配示意图，由图可知，外杆锯齿状凹槽7的侧壁设置有阻尼材料灌封孔14，采用高温灌注的方法通过阻尼材料灌封孔14在外杆锯齿状凹槽7内壁与内杆锯齿状凹槽9外壁之间注入阻尼材料6。外杆约束层8的侧壁顶部设置有光学密封橡胶灌封孔13；通过光学密封橡胶灌封孔13在外杆约束层8与内杆约束层10之间注入光学密封橡胶5。
其中，阻尼材料6的损耗因子为0.5-2；且阻尼材料6与金属杆的粘接强度不低于1Mpa；所述光学密封橡胶5与金属杆的粘接强度不低于1Mpa。
本发明采用一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振系统，通过其内部分子链相互摩擦将振动机械能转变为热能储存在减振系统内部，使卫星传递到遥感器的振动载荷变小。卫星入轨后，热能将通过隔振系统的金属结构传递到相机结构与卫星结构，再通过相机或卫星的辐射散热面向冷空间辐射热量将减振系统的温度恢复到遥感器在轨工作所需的温度。刚度支撑与阻尼隔振独立工作，简便有效，适用于航天光学遥感器发射段隔振以及在轨稳定支撑。
本发明的实现方法为：
步骤一，通过结构仿真设计及优化，确定隔振系统隔振金属外杆1、隔振金属内杆2的结构尺寸，其中隔振金属外杆1、隔振金属内杆2轴向为孔轴配合连接，保证其具备足够的径向承载量及轴向变形自由度，同时留有隔振系统与卫星、遥感器的连接的转接支座配合的铰接孔；
步骤二，确定隔振系统所需具备的阻尼减振性能，即系统阻尼比；通过系统阻尼比反算阻尼耗能材料所需具备的阻尼损耗因子，选取合适的阻尼材料6以及隔振金属外杆1内侧、隔振金属内杆2外侧侧阻尼材料6贮存环的尺寸以及贮存环数量；
步骤三，通过隔振金属外杆1筒壁的阻尼材料灌封孔14采用高温灌注的方法将隔振金属外杆1、隔振金属内杆2与高分子阻尼材料6组合为整体，再通过隔振金属外杆1杆筒壁的光学密封橡胶灌封孔13在隔振金属外杆1顶端外杆约束层8与隔振金属内杆2顶端内杆约束层10之间灌注光学密封橡胶灌封孔13，使隔振金属外杆1与隔振金属内杆2连接为隔振杆件单元；
步骤四，以bi-pod支撑方式为基础，通过对两根隔振杆件单元夹角的优化设计确定bi-pod型阻尼隔振组件的空间夹角a，然后通过不同组bi-pod型阻尼隔振组件的结构布局设计，确定隔振系统在遥感器与卫星连接界面的布局接口及连接数量，最后通过上铰链销轴、下铰链销轴将bi-pod型阻尼隔振组件与下转接支座11、上转接支座12连接为整体，组成bi-pod型阻尼隔振组件。
步骤五，用多层隔热组件15把bi-pod型阻尼隔振组件包覆成为封闭腔体。
各组bi-pod型阻尼隔振组件布局方式可采用正交、平行、圆周均布等方式进行布局。每根隔振杆件单元通过铰链销轴与转接支座铰接连接，提供支杆横向摆动自由度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：包括2个下转接支座(11)、2个隔振金属外杆(1)、2个隔振金属内杆(2)和上转接支座(12)；其中，2个下转接支座(11)位于同一平面内，2个下转接支座(11)水平固定在遥感器阻尼隔振装置的低端，实现与外部卫星连接；2个隔振金属外杆(1)的一端分别与2个下转接支座(11)固定连接；每个隔振金属外杆(1)的内部分别固定安装1个隔振金属内杆(2)，且隔振金属内杆(2)伸出隔振金属外杆(1)的轴向上端面；2个隔振金属内杆(2)伸出隔振金属外杆(1)的一端固定连接；上转接支座(12)固定安装在2个隔振金属内杆(2)的连接处；上转接支座(12)实现与外部遥感相机的连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述的隔振金属外杆(1)内壁与隔振金属内杆(2)外壁为孔轴间隙配合，配合间隙为0.005～0.01mm；隔振金属外杆(1)与隔振金属内杆(2)的轴向相对滑动量为0.1mm-1mm；隔振金属内杆(2)和隔振金属外杆(1)的承载量为3-4倍安全系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述隔振金属外杆(1)包括外杆铰接孔(4)、外杆锯齿状凹槽(7)和外杆约束层(8)；其中，隔振金属外杆(1)通过外杆铰接孔(4)实现与下转接支座(11)的连接；外杆锯齿状凹槽(7)固定安装在外杆铰接孔(4)的上端；外杆约束层(8)固定安装在外杆锯齿状凹槽(7)的上端。
4.根据权利要求3所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述隔振金属内杆(2)包括内杆铰接孔(3)、内杆锯齿状凹槽(9)和内杆约束层(10)；其中，隔振金属内杆(2)通过内杆铰接孔(3)与上转接支座(12)连接；内杆约束层(10)固定安装在内杆铰接孔(3)的下部；内杆锯齿状凹槽(9)固定安装在内杆约束层(10)的下部；内杆锯齿状凹槽(9)与隔振金属外杆(1)的外杆锯齿状凹槽(7)对应配合；内杆约束层(10)与外杆约束层(8)对应配合。
5.根据权利要求4所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述外杆锯齿状凹槽(7)的侧壁设置有阻尼材料灌封孔(14)，采用高温灌注的方法通过阻尼材料灌封孔(14)在外杆锯齿状凹槽(7)内壁与内杆锯齿状凹槽(9)外壁之间注入阻尼材料(6)。
6.根据权利要求5所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述外杆约束层(8)的侧壁顶部设置有光学密封橡胶灌封孔(13)；通过光学密封橡胶灌封孔(13)在外杆约束层(8)与内杆约束层(10)之间注入光学密封橡胶(5)。
7.根据权利要求6所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述外杆约束层(8)和内杆约束层(10)均匀等距设置有约束层，且外杆约束层(8)和内杆约束层(10)的约束层数相同，均为4-8层；每层约束层厚度为2-3mm；相邻两层约束层间隔为0.1-1mm。
8.根据权利要求7所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述阻尼材料(6)的损耗因子为0.5-2；且阻尼材料(6)与金属杆的粘接强度不低于1Mpa；所述光学密封橡胶(5)与金属杆的粘接强度不低于1Mpa。
9.根据权利要求8所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：2个隔振金属内杆(2)与上转接支座(12)之间的夹角a为20-170°。
10.根据权利要求9所述的一种基于bi-pod支撑方式改进的遥感器阻尼隔振装置，其特征在于：所述遥感器阻尼隔振装置的侧面包覆有隔热组件(15)。
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