CN109268429A - 一种非串联的简单可靠整星减振器 - Google Patents

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林宏
彭慧莲
王国辉
王雪梅
张新宇
安雪岩
陈益
张群
杨勇
刘欣
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Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
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China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
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    • F16F9/30—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium with solid or semi-solid material, e.g. pasty masses, as damping medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明公开了一种非串联的简单可靠整星减振器，包括壳体和阻尼颗粒，壳体内部包含腔室，壳体内部腔室在水平或竖直方向进行分腔设置，每个腔室均填充有阻尼颗粒，阻尼颗粒按照一定比例填充于壳体的腔室中，单个腔室填充率不小于80％，壳体与卫星支架固定连接，使得卫星振动响应不高于1g；至少一个壳体置于卫星支架的上端面，处于卫星与卫星支架组合体关心模态振型中振幅最大位置。本发明通过在卫星支架上安装由壳体和阻尼颗粒构成的附加式颗粒阻尼结构，实现整星的振动减缓，有效降低飞行过程中5‑100Hz全频段振动量级。

Description

一种非串联的简单可靠整星减振器
技术领域
本发明涉及一种非串联的简单可靠整星减振器，属于整星减振技术领域。
背景技术
在火箭飞行过程中，当作用在弹性箭体上的外力突然释放或施加时，会引起全箭较大动响应。严酷的振动环境将对卫星主结构及其舱板上数量众多的单机产生不利影响，如应力水平显著增大可能导致结构丧失完整性、振动过高可能导致敏感单机偏离正常性能等。尽管目前卫星的地面考核试验条件能覆盖飞行环境，但若能采取有效减振措施对整星飞行振动环境进行控制，可进一步提高力学环境舒适性和飞行可靠性。
国内外普遍应用被动式、主动控制式和半主动控制式技术，来降低整星飞行振动环境。现有被动式金属/橡胶减振器，虽然结构轻巧减振效果较好，但需串联到卫星与卫星支架间对全箭频率特性变化较多(降低约25％～80％)，不利于全箭姿控稳定设计，较少应用到整星减振中。全主动或半主动式减振平台可根据飞行振动反馈控制，但结构较为复杂、技术成熟度低，若控制不当可能激起更大振动，因此多停留在地面原理样机阶段，未得到广泛应用。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种非串联的简单可靠整星减振器，通过卫星支架和颗粒阻尼的配合，有效降低飞行过程中5-100Hz全频段振动量级。
本发明的技术解决方案：
一种非串联的简单可靠整星减振器，包括壳体和阻尼颗粒，壳体内部包含腔室，壳体内部腔室在水平或竖直方向进行分腔设置，每个腔室均填充有阻尼颗粒，阻尼颗粒按照一定比例填充于壳体的腔室中，单个腔室填充率不小于80％，壳体与卫星支架固定连接，使得卫星振动响应不高于1g；至少一个壳体置于卫星支架的上端面，处于卫星与卫星支架组合体关心模态振型中振幅最大位置。
通过卫星与卫星支架组合体的纵向、横向频响分析，取加速度峰值最大的频率作为关心模态的频率。
阻尼颗粒为球形，半径为0.5-5mm。
阻尼颗粒材料为弹性恢复系数为0.1-1.8、使用温度范围为-240°-300°、密度为50-9000kg/m3的金属、非金属或合金阻尼耗能材料。
壳体结构安全系数不小于2.0，工作应力不大于20MPa。
壳体厚度不小于1mm,壳体弹性模量不小于70E+09Pa。
壳体外形为圆柱体或带弧面的棱柱体。
阻尼颗粒填充比0.5-0.9。
填充的阻尼颗粒的重量与卫星质量比不大于1％。
壳体单独设计并与卫星支架连接，或将阻尼颗粒直接填充于带有空腔的卫星支架中。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明给出一种简单可靠的整星减振技术，通过在卫星支架上安装由壳体和阻尼颗粒构成的附加式颗粒阻尼结构，实现整星的振动减缓，有效降低飞行过程中5-100Hz全频段振动量级；
(2)本发明设计的整星减振器具有结构简单、便于安装、不改变主结构传力形式、减振频段宽、减振效果明显和环境适应性好的优点，有助于提高整星力学舒适度和飞行可靠性；
(3)本发明所提及的技术可推广应用到火箭和航天器主结构、次结构、重要单机减振降冲工作中。
附图说明
图1为本发明整星减振器组装应用示意图；
图2为本发明减振效果比对图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
整星颗粒阻尼器设计流程如下：
首先确定减振对象，再根据具体结构形式和安装空间约束，设计阻尼器空腔的外形尺寸；然后根据阻尼要求选择合适的颗粒材料(密度、弹性恢复系数和力学特性)、填充比、颗粒尺寸、安装位置等；最后针对不同发射任务的产品化约束条件，对颗粒阻尼器进行评估和优化，给出最终的颗粒阻尼器方案。具体如下：
(1)减振对象选择：振动剧烈部位或振动传输路径上，振动量级较大的卫星界面。颗粒阻尼器优先放置在星箭界面卫星支架一侧，使得卫星分离后不必携带此部分死重；或者放置在火箭的上面级支架上；
(2)阻尼器壳体/空腔结构设计：考虑安装空间和尺寸包络约束，颗粒阻尼器的壳体可设计为圆柱体或带弧面棱柱体、单个壳体可分割成多腔、多层等；也可利用结构已有空腔，如在铝-蜂窝夹芯结构的蜂窝内预装颗粒，不影响尺寸包络；颗粒阻尼器可设计为多个；壳体易于装填颗粒；
(3)阻尼颗粒选取：单一金属或合金、非金属颗粒，单个颗粒尺寸0.5mm-5mm。由于颗粒密度与弹性恢复系数紧密相连，颗粒密度越大则单次冲击耗能越多，但总重量一定时颗粒数量少导致碰撞次数减小则总耗能不一定多，因此需综合考虑进行优化；
(4)安装形式确定：与结构通过螺钉等固定连接。
根据颗粒阻尼器的装配流程，梳理出来易发生的过程缺陷模式，逐一设置检验和控制手段，如表1所示，以提高产品的质量稳定性。
表1
基于上述考量，具体机构为：
一种非串联的简单可靠整星减振器，包括壳体和阻尼颗粒，壳体内部包含腔室，阻尼颗粒按照一定比例填充于壳体的腔室中，壳体内部腔室在水平或竖直进行分腔设置，每个腔室均填充有阻尼颗粒，使得单个腔室填充率不小于80％，阻尼颗粒填充比0.5-0.9；
壳体与卫星支架固定连接，如图1所示，使得卫星振动响应不高于1g。
壳体外形为圆柱体或带弧面的棱柱体；壳体的结构安全系数不小于2.0，工作应力一般不大于20MPa，壳体厚度不小于1mm,壳体的弹性模量不小于70E+09Pa；
阻尼颗粒为球形，半径为0.5-5mm；阻尼颗粒材料为弹性恢复系数为0.1-1.8、使用温度范围为-240°～300°、密度为50-9000kg/m3的金属、非金属或合金等阻尼耗能材料；要求颗粒不易受潮、多次撞击时不掉粉末，振动试验后重量损失小于99％；
至少一个壳体置于卫星支架的上端面，处于卫星与卫星支架组合体关心模态振型中振幅最大位置；可通过卫星与卫星支架组合体的纵向、横向频响分析，取加速度峰值最大的频率为关心模态的频率，填充的阻尼颗粒的重量与卫星质量比不大于1％；
壳体可以单独设计并与卫星支架连接，也可以将阻尼颗粒直接填充于带有空腔的卫星支架中，如蜂窝夹芯、板加筋夹层结构中。
整星减振器能承受以下振动鉴定试验条件：
(1)整星减振器正弦扫描试验条件：5-100Hz，加速度0-峰值5g；
(2)随机振动试验条件：20-2000Hz，总均方根值10Grms；
(3)冲击试验条件：1000-5000Hz，4000g；
(4)过载试验条件：纵向10g。
由图2可知，整星减振器实现了有效降低飞行过程中5-100Hz全频段振动量级。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，包括壳体和阻尼颗粒，壳体内部包含腔室，壳体内部腔室在水平或竖直方向进行分腔设置，每个腔室均填充有阻尼颗粒，阻尼颗粒按照一定比例填充于壳体的腔室中，单个腔室填充率不小于80％，壳体与卫星支架固定连接，使得卫星振动响应不高于1g；至少一个壳体置于卫星支架的上端面，处于卫星与卫星支架组合体关心模态振型中振幅最大位置。
2.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，通过卫星与卫星支架组合体的纵向、横向频响分析，取加速度峰值最大的频率作为关心模态的频率。
3.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，阻尼颗粒为球形，半径为0.5-5mm。
4.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，阻尼颗粒材料为弹性恢复系数为0.1-1.8、使用温度范围为-240°-300°、密度为50-9000kg/m3的金属、非金属或合金阻尼耗能材料。
5.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，壳体结构安全系数不小于2.0，工作应力不大于20MPa。
6.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，壳体厚度不小于1mm,壳体弹性模量不小于70E+09Pa。
7.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，壳体外形为圆柱体或带弧面的棱柱体。
8.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，阻尼颗粒填充比0.5-0.9。
9.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，填充的阻尼颗粒的重量与卫星质量比不大于1％。
10.如权利要求1所述的一种非串联的简单可靠整星减振器，其特征在于，壳体单独设计并与卫星支架连接，或将阻尼颗粒直接填充于带有空腔的卫星支架中。
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