CN111677810A - 光学有效载荷被动隔振系统 - Google Patents
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Abstract
光学有效载荷被动隔振系统，解决了现有隔振平台在卫星上升加速度过大的情况下，存在部件易损坏的问题，属于航天器微振动控制技术领域。本发明系统的构型为三个上安装支座分布固定在上平台的侧面，三个上安装支座的位置同圆，且上安装支座两两形成的圆心角为120度，六个电涡流阻尼器安装座固定在下平台上，六个支腿分成三组，一组的两个支腿的顶端固定在同一个上安装支座上每个支腿的底端安装一个电涡流阻尼器，且电涡流阻尼器固定在下平台上的电涡流阻尼器安装座中；一组的两个支腿所在平面同时垂直于上平台所在平面和下平台所在平面，三组支腿底部的电涡流阻尼器安装座分布在正三角形的三条边上，一组支腿底部的电涡流阻尼器安装座位于一条边上。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔振系统，特别涉及一种光学有效载荷被动隔振系统，属于航天器微振动控制技术领域。
背景技术
航天器在轨运行期间，航天器上转动部件的转动、驱动机构的步进运动、推力器的工作、压缩机等部件的机械运动、大型柔性结构自身振动以及进出阴影区域时诱发的热变形等都会导致航天器产生一种振动幅值较小，频率范围较广的抖动响应，即微振动。微振动问题广泛存在于各种航天器中，但由于其振动幅值较小，对多数航天活动的影响较小，大多不予考虑。然而，对于以高分辨率遥感卫星、天空望远镜、激光通信卫星和空间干涉测量卫星等为代表的高精度航天器而言，由于其主要任务是实现对地观测、通信和太空探测，微振动将会严重影响高精度航天器上有效载荷的指向和姿态稳定度，从而影响星载设备的分辨率和指向精度。因此，必须考虑微振动的影响，并且性能指标的要求越高，对微振动的限制越严格。
研究航天器微振动的主要目的是控制航天器微振动对有效载荷的影响，使得有效载荷处于一个“超静”环境之中，保证高精度的仪器能够正常工作。航天器在轨运行时的扰动包括重力梯度变化、光压效应、航天器的调姿、泵、电机和飞轮运作时所带来的扰动。这些扰动具有幅值小、频带宽、固有性、敏感性和难测量的特点。为了对航天器有效载荷的微振动进行有效控制，首先需要对航天器上的扰动源进行分类和分析。然而，由于航天器上微振动干扰源具有无处不在的性质，很难通过采取干扰源振动隔离的措施来消除所有干扰源的影响。因此，设计有效的隔振装置，针对敏感有效载荷的振动隔离成为了航天器微振动控制的研究重点。
现有技术中隔振平台的构型多采用上平台、下平台以及连接上平台和下平台的并联支杆，并在支杆的中段使用阻尼元件或刚度元件。卫星上升过程中加速度很大，所以卫星上任何一个部件受到的向下的惯性力很大，特别是那么上升过程中其惯性力会由铰接点来承担抵消，铰接点容易损坏。所以现有隔振平台在卫星上升加速度过大的情况下，存在部件易损坏的问题。
发明内容
针对现有隔振平台在卫星上升加速度过大的情况下，存在部件易损坏的问题，本发明提供一种光学有效载荷被动隔振系统。
本发明的一种光学有效载荷被动隔振系统，所述系统包括上平台1、下平台2以及上平台1与下平台2之间的六个支腿3，所述系统还包括三个上安装支座4、六个电涡流阻尼器和六个电涡流阻尼器安装座5，三个上安装支座4分布固定在上平台1的侧面，三个上安装支座4的位置同圆，且上安装支座4两两形成的圆心角为120度，六个电涡流阻尼器安装座固定在下平台2上，六个支腿3分成三组，一组的两个支腿3的顶端固定在同一个上安装支座4上每个支腿3的底端安装一个电涡流阻尼器6，且电涡流阻尼器6固定在下平台2上的电涡流阻尼器安装座中；一组的两个支腿3所在平面同时垂直于上平台1所在平面和下平台2所在平面，三组支腿3底部的电涡流阻尼器安装座分布在正三角形的三条边上，一组支腿3底部的电涡流阻尼器安装座位于一条边上。
作为优选，根据所述系统的构型确定系统的动力学方程，对动力学方程进行求解阻尼矩阵和刚度矩阵，根据阻尼矩阵和刚度矩阵获取六阶固有频率，使六阶固有频率中最大固有频率与最小固有频率之间的比值最小，确定φ，根据φ求取各阶固有频率，φ表示固定在同一个上安装支座4上的两个支腿3的夹角的一半。
作为优选，φ为34°。
作为优选，所述电涡流阻尼器6包括干摩擦直线轴承601、轴承杆602、动子和定子，所述动子包括动子筒604和铜导体605，所述定子包括第一导磁钢606、第一永磁铁607、第二永磁铁608、第二导磁钢609和第三导磁钢610；
轴承杆602的顶部套入干摩擦直线轴承601的中，轴承杆602的底部与动子筒604的顶端端口固定连接，动子筒604的外侧圆周方向设有两圈凹槽，两圈凹槽内充满铜导体605，第二导磁钢609为桶形，动子筒604的筒身插入第二导磁钢609桶内，第一导磁钢606、第一永磁铁607、第二永磁铁608均为环状，动子筒604与第二导磁钢609合围的空间内从上到下依次叠放有第一导磁钢606、第一永磁铁607、第三导磁钢610和第二永磁铁608，套在中心螺杆上，第一永磁铁607、第二永磁铁608相邻位置处的极性相反，第一永磁铁607、第二永磁铁608构成蝶形永磁铁。
作为优选，所述电涡流阻尼器6还包括轴承固定罩611；
干摩擦直线轴承601的外表面与轴承固定罩611固定连接，轴承固定罩611的底部与第二导磁钢609的部固定，轴承固定罩611和第二导磁钢609合围成密闭空间。
作为优选，所述电涡流阻尼器6还包括弹簧片603；
在动子筒604与轴承固定罩611设置有弹簧片603。
本发明的有益效果，本发明隔振系统的构型使得上平台1的运动在各个方向上实现了解耦，从而简化了隔振平台的动力学分析及结构。本发明可以有效抑制光学卫星有效载荷的微振动，从而大大提高星载设备的成像分辨率和指向精度。本发明的隔振系统相比于有效载荷的重量，整个隔振系统的总重量很低，上升加速度过大的情况下，隔振系统重量越低越不容易损坏。同时，本发明的电涡流阻尼器6安装在支腿3下部，且固定在电涡流阻尼器安装座5中，那么电涡流阻尼器6上升过程中的惯性力由电涡流阻尼器安装座5及下平台2给的力来抵消，这个力不会由柔性铰来承担，避免柔性铰在卫星上升过程中损坏。本发明的整个隔振系统加工成本低，装配方便，可广泛应用于绝大多数光学卫星上。
附图说明
图1为本发明光学有效载荷被动隔振系统的结构示意图；
图2为图1的正视图；
图3为图2的俯视图；
图4为图2的侧视图；
图5为支腿3的安装示意图；
图6为电涡流阻尼器6的示意图；
图7为电涡流阻尼器6内部结构图；
图8为电涡流阻尼器6磁感线分布图；
图9为上安装支座4的结构示意图；
图10为电涡流阻尼器安装座5的结构示意图；
图11为公式(60)获得比值与φ的变化示意图；
图12至图17为各自由度的传递率曲线，图12为x方向传递率，图13为y方向传递率，图14为z方向传递率，图15为x方向转动振动传递率，图16为y方向转动振动传递率，图17为z方向转动振动传递率；
图18为带光学有效载荷的隔振系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1至图4所示，本实施方式的一种光学有效载荷被动隔振系统，包括上平台1、下平台2、六个支腿3、三个上安装支座4、六个电涡流阻尼器6和六个电涡流阻尼器安装座5，三个上安装支座4分布固定在上平台1的侧面，三个上安装支座4的位置同圆，且上安装支座4两两形成的圆心角为120度，六个电涡流阻尼器安装座5固定在下平台2上，六个支腿3分成三组，一组的两个支腿3的顶端固定在同一个上安装支座4上每个支腿3的底端安装一个电涡流阻尼器6，且电涡流阻尼器6固定在下平台2上的电涡流阻尼器安装座5中；一组的两个支腿3所在平面同时垂直于上平台1所在平面和下平台2所在平面，三组支腿3底部的电涡流阻尼器安装座5分布在正三角形的三条边上，一组支腿3底部的电涡流阻尼器安装座5位于一条边上。
本实施方式的支腿3包括上柔性铰3-1、连杆3-2和下柔性铰3-3，为充分降低支腿3的整体质量，且同时保持支腿3具有较高的弯曲刚度，连杆3-1采用中空式设计。
对于隔振系统而言，隔振起始频率与传递率是评价隔振性能的两个重要参数，性能优异的隔振系统应该具有较低的隔振起始频率和较低的传递率，以获得更宽的隔振频带和降低振动的危害。影响隔振系统主要性能的参数是固有频率和阻尼比。若选用刚度较小的隔振系统，会使其固有频率减小，从而减小隔振起始频率，拓宽隔振频带，但是其承载能力下降，静态位移增加；若增加系统阻尼，隔振系统在共振频率点的振动传递率减小，但其高频时的振动传递率却会增加。
本实施方式的隔振系统的构型使得上平台1的运动在各个方向上实现了解耦，从而简化了隔振平台的动力学分析及结构。本实施方式的整个隔振系统的总重量很低，上升加速度过大的情况下，隔振系统重量越低越不容易损坏。本实施方式的电涡流阻尼器6安装在支腿3下部，且固定在电涡流阻尼器安装座5中，那么电涡流阻尼器6上升过程中的惯性力由电涡流阻尼器安装座5及下平台2给的力来抵消，这个力不会由柔性铰来承担，避免柔性铰在卫星上升过程中损坏。
优选实施例中，本实施方式的电涡流阻尼器可靠性好，本实施方式的电涡流阻尼器包括干摩擦直线轴承601、轴承杆602、动子和定子，
动子包括动子筒604和铜导体605，所述定子包括第一导磁钢606、第一永磁铁607、第二永磁铁608、第二导磁钢609和第三导磁钢610；
轴承杆602的顶部套入干摩擦直线轴承601的中，轴承杆602的底部与动子筒604的顶端端口固定连接，动子筒604的外侧圆周方向设有两圈凹槽，两圈凹槽内充满铜导体605，第二导磁钢609为桶形，动子筒604的筒身插入第二导磁钢609桶内，第一导磁钢606、第一永磁铁607、第二永磁铁608均为环状，动子筒604与第二导磁钢609合围的空间内从上到下依次叠放有第一导磁钢606、第一永磁铁607、第三导磁钢610和第二永磁铁608，套在中心螺杆上，第一永磁铁607、第二永磁铁608相邻位置处的极性相反，第一永磁铁607、第二永磁铁608构成蝶形永磁铁。
本实施方式的永磁铁选用高性能的汝铁硼永磁铁，第三导磁钢610作为内磁轭，第一导磁钢606和第二导磁钢609作为外磁轭，内磁轭和外磁轭的作用是使电涡流阻尼器6中的磁场按一定的规律进行分布；
电涡流阻尼器6的原理为：导体处在一个变化的磁场中或者导体在一个恒定磁场中运动时将会出现电涡流现象。产生的总电动势如下式所示
其中v为导体与磁感线的相对速度，B为磁感应强度。电涡流阻尼器6在作动的时候电涡流现象发生在动子筒604上，由于永磁铁的磁场和磁感线分部是恒定的，所以上式(1)右端的第一项为零，动子在轴向(z向)上运动时铝桶上的电流密度J为
J＝σ(v×B) (2)
其中σ为导电率，由洛伦兹定律可知，由电涡流产生的阻尼力表达式如下
fe＝∫VJ×BdV (3)
上式中V代表导体的体积。由电涡流产生的反向磁场导致了z向上的阻尼力[137]，如下式所示
高导磁率的磁钢能够约束磁感线的分布防止磁感线的扩散，电涡流阻尼器6中永磁铁、导磁钢的安装形式有利于磁感线形成规律的分布回路。如图8所示，磁感线在穿越气隙的时候主要沿着Ⅰ和Ⅱ区域通过，理想情况下可以认为磁感线是完全沿着内部蝶形轭磁钢以h的高度穿越气隙的。因此有
Br(r,z)≈Bs (5)
其中Bs为气隙处的磁感应强度，由此式(4)可写为
设蝶形永磁铁的剩磁感应强度为Br，动子筒604在Ⅰ处和Ⅱ处的磁感应强度分别为Bs1，Bs2。由磁通的连续性定理可知，磁场中穿出任意封闭曲面S的磁通之和等于零，即
对于Ⅰ处有
可得
同理可得
将Bs1，Bs2分别带入式(6)可得作动器由电涡流产生的阻尼力为
则等效的电涡流阻尼系数为
取3％的平均结构阻尼比，其中每个电涡流阻尼器6的阻尼系数值为c＝84.45N.s/m；
本实施方式位于内部定子由圆柱形钕铁硼永磁铁(第一永磁铁和第二永磁铁)和导磁钢(第一导磁钢606、第三导磁钢610)依次层叠而成，外部定子由第二导磁钢609组成。内部的永磁铁和导磁钢配合在中心螺杆上；动子筒的作用是固定铜导体，与其一起作为动子切割磁感线。铜导体的作用是切割磁感线，外界产生微振动时在铜导体中产生抑制其运动的电涡流，产生阻尼力，从而达到耗能减振的作用。
本实施方式干摩擦直线轴承作为保证固定在动子筒上的铜导体在气隙中央沿轴线运动，并最大限度的降低电涡流阻尼器6内部在振动过程中产生的摩擦。轴承杆的一端连接动子筒，另一端连接支腿3，在干摩擦直线轴承中做直线运动，保证支腿3始终沿其轴向运动。
动子与中心干摩擦直线轴承的轴承杆602相连接，保证了动子始终沿电涡流阻尼器6的轴向作动，并且能够有效的控制气隙的间距，减小漏磁，防止动子与外磁轭内部发生磕碰。
优选实施例中，电涡流阻尼器6还包括轴承固定罩611；干摩擦直线轴承601的外表面与轴承固定罩611固定连接，轴承固定罩611的底部与第二导磁钢609的部固定，轴承固定罩611和第二导磁钢609合围成密闭空间。本实施方式的轴承固定罩611与干摩擦直线轴承固定，防止外界铁屑等导磁杂物进入电涡流阻尼器6。
优选实施例中，本实施方式的电涡流阻尼器6还包括弹簧片603；
在动子筒604与轴承固定罩611设置有弹簧片603。动子筒604的顶端端口半径小于动子筒604的筒身半径，弹簧片603为环状结构，套在动子筒604的顶端端口外侧；
弹簧片是隔振平台提供刚度的主要构件，以安装有效载荷后的隔振平台整体最低设计频率为1Hz，且最高不超过5Hz，进行隔振平台的刚度设计。以弹簧钢为材料，按该刚度设计得到厚度为0.4mm的弹簧片。
光学有效载荷相连接的上安装支座4，与下平台2相连接用于固定电涡流阻尼器6的电涡流阻尼器安装座5。上安装支座4下端为特定角度的楔形，用于连接上柔性铰3-1。电涡流阻尼器6安装座桶状安装槽与底面呈特定角度。
根据本实施方式隔振系统的构型推导隔振平台的动力学方程，并计算出支腿3的刚度和阻尼。相关结构参数及其定义如表所示，支腿3的阻尼和刚度如表所示。
表1隔振平台的相关参数及定义
这8个结构参数满足下列三个方程，即只有五个是独立的：
表2阻尼和刚度的定义
| 阻尼和刚度参数 | 含义 |
| c | 电涡流阻尼器6的阻尼系数 |
| k | 弹簧片的刚度 |
| k<sub>f</sub> | 柔性铰的弯曲刚度 |
上平台1六个点在上平台1坐标系中的坐标为
其中
注意到W2＝WT。
设隔振系统相对于静平衡位置的运动状态为
Xp＝[xp,yp,zp,αp,βp,γp]T (18)
则三个子旋转矩阵为
上平台1总的旋转矩阵为
在微振动的情况下，令cosαp≈1，sinαp≈αp(βp与γp也这样)，并忽略角位移的高阶小量，则有
那么支腿3上端的位移为
Dpi＝[xp,yp,zp]T+(Rp-E3)Ai(i＝1～6) (24)
其中E3是三阶单位矩阵。
在下平台2中心建立一个坐标系，在这个坐标系中，支腿3下端(电涡流阻尼器6上端)六个点的坐标为
B3＝WB1；B4＝WB2；B5＝W2B1；B6＝W2B2；
设下平台2的运动为
Xb＝[xb,yb,zb,αb,βb,γb]T (26)
类似于上平台1的分析过程，在下平台2坐标系中，下平台2转动的旋转矩阵是
支腿3下端的位移为
Dbi＝[xb,yb,zb]T+(Rb-E3)Bi(i＝1～6) (28)
Dpi与Dbi虽然是在不同的坐标系中描述的，但是这两个坐标系的方向相同，所以，支腿3上端相对于支腿3下端的位移为
每个支腿3所在方向(下端点指向上端点)的单位方向矢量为
根据支腿3上下端的相对位移矢量和支腿3的方向，可以求得第i个支腿3的变形量(伸长量)为
ui＝Di·ψi(i＝1～6) (31)
由此可以得出
u＝PXp-QXb (32)
其中，u是各支腿3变形量组成的向量，P和Q是6×6的矩阵，他们的定义或表达式为
u＝[u1,u2,u3,u4,u5,u6]T (33)
其中，θc表示cosθ，θs表示sinθ，
与之类似的含义，
那么支腿3上端受到的轴向力为
支腿3上端相对于支腿3下端(作动器上端)的横向(垂直于支腿3轴向)位移矢量为
ri＝(ψi×Di)×ψi (38)
那么支腿3杆转过的角度矢量为
设柔性铰的弯曲刚度为kf，那么柔性铰受到的弯矩为
那么支腿3上端受到的横向力为
那么，支腿3给上平台1的力/力矩有三个，分别是-Fai，-Fri，-ρi，其中-ρi的影响太小可以忽略。根据动力学普遍方程，上平台1的动力学方程可以写为：
即
由此得到的动力学方程为
其中
K＝Ka+Kf (46)
Nk＝Nka+Nkf (47)
M＝diag(m,m,m,J1,J2,J3) (48)
其中，M是质量矩阵，C是阻尼矩阵，Ka是由弹簧片刚度引起的刚度矩阵，Kf是由柔性铰弯曲刚度引起的刚度矩阵。
从C、Ka和Kf的表达式可以看出，要想使动力学方程左端解耦，需要使a＝0或θ＝0°或θ＝90°或φ＝90°，显然，只有θ＝90°符合实际情况。那么，阻尼矩阵和刚度矩阵变为：
其中，
六阶固有频率为
由于柔性铰弯曲刚度较小，取η＝0.2。考虑到光学载荷质心到侧面的距离是0.768m，取a＝0.83m。质量和惯量属性如下：
首先需要使六阶固有频率尽量接近，即使最大固有频率与最小固有频率之间的比值最小，把已知参数代入，这个比值为
如图11所示，当φ＝34°时，最大频率与最小频率之比最小，最小比值约为1.57，此时x自由度的固有频率最小，为把最小频率设计为1Hz，经过计算可得k＝9310.6Nm，各阶固有频率分别为1Hz,1Hz,1.519Hz,1.57Hz,1.57Hz,1.564Hz。
各个自由度的阻尼比为
为了实现0.03的平均阻尼比，经过计算可得c＝84.45N·sm。
综上所述，最终所有的参数归纳如下(未写非独立的)：
柔性铰的弯曲刚度引起的等效横向刚度除了受柔性铰的实际尺寸的影响外还受h的影响，在理论推导中只是近似估计为弹簧片刚度的0.2倍,即2kfcos2φ/(kh2)＝0.2。
由于各个自由度解耦，所以各个自由度的传递率计算方法都同单自由度一样，其表达式为
其中ζi是第i自由度的阻尼比，fni是第i自由度的固有频率。各自由度的传递率曲线如图12至图17所示。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (6)
1.一种光学有效载荷被动隔振系统，所述系统包括上平台(1)、下平台(2)以及上平台(1)与下平台(2)之间的六个支腿(3)，其特征在于，所述系统还包括三个上安装支座(4)、六个电涡流阻尼器(6)和六个电涡流阻尼器安装座(5)，三个上安装支座(4)分布固定在上平台(1)的侧面，三个上安装支座(4)的位置同圆，且上安装支座(4)两两形成的圆心角为120度，六个电涡流阻尼器(6)安装座(5)固定在下平台(2)上，六个支腿(3)分成三组，一组的两个支腿(3)的顶端固定在同一个上安装支座(4)上每个支腿(3)的底端安装一个电涡流阻尼器(6)，且电涡流阻尼器(6)固定在下平台(2)上的电涡流阻尼器安装座(5)中；一组的两个支腿(3)所在平面同时垂直于上平台(1)所在平面和下平台(2)所在平面，三组支腿(3)底部的电涡流阻尼器安装座(5)分布在正三角形的三条边上，一组支腿(3)底部的电涡流阻尼器安装座(5)位于一条边上。
2.根据权利要求1所述的光学有效载荷被动隔振系统，其特征在于，根据所述系统的构型确定系统的动力学方程，对动力学方程进行求解阻尼矩阵和刚度矩阵，根据阻尼矩阵和刚度矩阵获取六阶固有频率，使六阶固有频率中最大固有频率与最小固有频率之间的比值最小，确定φ，根据φ求取各阶固有频率，φ表示固定在同一个上安装支座(4)上的两个支腿(3)的夹角的一半。
3.根据权利要求2所述的光学有效载荷被动隔振系统，其特征在于，φ为34°。
4.根据权利要求1所述的光学有效载荷被动隔振系统，其特征在于，所述电涡流阻尼器(6)包括干摩擦直线轴承(601)、轴承杆(602)、动子和定子，所述动子包括动子筒(604)和铜导体(605)，所述定子包括第一导磁钢(606)、第一永磁铁(607)、第二永磁铁(608)、第二导磁钢(609)和第三导磁钢(610)；
轴承杆(602)的顶部套入干摩擦直线轴承(601)的中，轴承杆(602)的底部与动子筒(604)的顶端端口固定连接，动子筒(604)的外侧圆周方向设有两圈凹槽，两圈凹槽内充满铜导体(605)，第二导磁钢(609)为桶形，动子筒(604)的筒身插入第二导磁钢(609)桶内，第一导磁钢(606)、第一永磁铁(607)、第二永磁铁(608)均为环状，动子筒(604)与第二导磁钢(609)合围的空间内从上到下依次叠放有第一导磁钢(606)、第一永磁铁(607)、第三导磁钢(610)和第二永磁铁(608)，套在中心螺杆上，第一永磁铁(607)、第二永磁铁(608)相邻位置处的极性相反，第一永磁铁(607)、第二永磁铁(608)构成蝶形永磁铁。
5.根据权利要求4所述的光学有效载荷被动隔振系统，其特征在于，所述电涡流阻尼器(6)还包括轴承固定罩(611)；
干摩擦直线轴承(601)的外表面与轴承固定罩(611)固定连接，轴承固定罩(611)的底部与第二导磁钢(609)的部固定，轴承固定罩(611)和第二导磁钢(609)合围成密闭空间。
6.根据权利要求5所述的光学有效载荷被动隔振系统，其特征在于，所述电涡流阻尼器(6)还包括弹簧片(603)；
在动子筒(604)与轴承固定罩(611)设置有弹簧片(603)。
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