CN115571378B - 一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航天技术领域，具体为一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置和卫星减振系统。所述复合式振动控制装置的壳型适配器内设有第一固定磁性环、第二固定磁性环、第二对固定磁性块、第一可动磁性联动组件和第二可动磁性联动组件，可动磁性联动组件设置在壳型适配器的底面和固定磁性环之间，可动磁性联动组件与固定磁性块连接，可动磁性联动组件两个端面与固定磁性块同磁性端面相对，可动磁性联动组件中间段端面与固定磁性环同磁性端面相对，第一可动磁性联动组件和第二可动磁性联动组件经立方非线性弹簧连接。所述卫星减振系统包括复合式振动控制装置。本发明能实现振动能量从主系统单向且不可逆地传递至非线性部分，达到有效减振。
Description
技术领域
本发明涉及航天工程技术领域，具体为一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置。
背景技术
航天器的振动控制主要是在结构上附加耗能装置，将外部激励产生的能量通过耗能装置消耗，从而达到减振的效果。而传统的振动控制装置又有着较为明显的技术缺陷，如体积较大，不利于航天器的空间利用，且附加过大的减振装置会使航天器增加更大的质量，这在航天器发射要求中会产生较大的问题。其次传统的减振装置结构复杂，在宽频条件下的减振效率低。对于复杂条件下的在轨航天器，传统减振装置的缺陷会严重影响航天的稳定性及有效载荷的工作效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型复合式在轨航天器微振动控制装置，该装置主要由立方非线性刚度、阻尼材料和磁性块组成的非线性能量汇(Nonlinearenergy sink，NES)提供减振的能力，以利用NES的振动抑制特性，对卫星在各种扰动源影响下的加速度幅度小、频率分布广的微振动进行振动控制，进而提高卫星的总体力学性能。
为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置，包括壳型适配器，在所述壳型适配器内设有：
第一固定磁性环，所述第一固定磁性环固定设置在所述壳型适配器的内壁上，在所述第一固定磁性环上设有通孔；
第二固定磁性环，所述第一固定磁性环固定设置在所述壳型适配器的内壁上，所述第二固定磁性环设置在所述第一固定磁性环下方，在所述第二固定磁性环上设有通孔；
第一对固定磁性块，所述第一对固定磁性块分别固定在所述壳型适配器的上底面的边缘处；
第二对固定磁性块，所述第二对固定磁性块分别固定在所述壳型适配器的下底面的边缘处，所述第一对固定磁性块和所述第二对固定磁性块在同一平面上；
第一可动磁性联动组件，所述第一可动磁性联动组件设置在所述壳型适配器的上底面和所述第一固定磁性环之间，所述第一可动磁性联动组件与所述第一对固定磁性块连接，所述第一可动磁性联动组件首尾两个端面与第一对固定磁性块同磁性端面相对，所述第一可动磁性联动组件中间段端面与所述第一固定磁性环同磁性端面相对；
第二可动磁性联动组件，所述第二可动磁性联动组件设置在所述壳型适配器的下底面和所述第二固定磁性环之间，所述第二可动磁性联动组件与所述第二对固定磁性块连接，所述第二可动磁性联动组件首尾两个端面与第二对固定磁性块同磁性端面相对，所述第二可动磁性联动组件中间段端面与所述第二固定磁性环同磁性端面相对；
所述第一可动磁性联动组件和第二可动磁性联动组件经立方非线性弹簧连接，所述立方非线性弹簧贯穿所述通孔，。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述第一固定磁性环的通孔的中心设置在所述壳型适配器的第一中心轴线上；
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述第二固定磁性环的通孔的中心设置在所述壳型适配器的第一中心轴线上。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述第一固定磁性环和所述第二固定磁性环沿所述壳型适配器的第二中心轴线对称设置；
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述第一可动磁性联动组件和所述第二可动磁性联动组件沿所述壳型适配器的第二中心轴线对称设置；
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述第二中心轴线与所述第一中心轴线垂直。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述第一可动磁性联动组件包括两个可动磁性块和一个可动磁性盘，可动磁性块和可动磁性盘之间经连杆连接，两个可动磁性块设置在两端，可动磁性盘设置在中间，其中两个可动磁性块经立方非线性弹簧分别与所述第一对固定磁性块连接，可动磁性盘经立方非线性弹簧与所述壳型适配器的上底面连接；
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述第二可动磁性联动组件包括两个可动磁性块和一个可动磁性盘，可动磁性块和可动磁性盘之间经连杆连接，两个可动磁性块设置在两端，可动磁性盘设置在中间，其中两个可动磁性块经立方非线性弹簧分别与所述第二对固定磁性块连接，可动磁性盘经立方非线性弹簧与所述壳型适配器的下底面连接；
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，两个可动磁性盘经立方非线性弹簧连接。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述两个可动磁性块沿所述壳型适配器的第一中心轴线对称设置，其中，可动磁性盘的中心设置在所述第一中心轴线上。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，在所述可动磁性盘与所述壳型适配器的上底面之间还设有阻尼材料，两个可动磁性盘之间设有阻尼材料，在所述可动磁性盘与所述壳型适配器的下底面之间还设有阻尼材料，所述阻尼材料与所述立方非线性弹簧平行设置。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述阻尼材料为高阻尼合金，所述阻尼高阻尼合金为铜-锌-铝系、铁-铬-钼系或锰-铜系合金。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，在所述第一对固定磁性块之间还固定有一导杆，在所述第二对固定磁性块之间也固定有一导杆，
在所述可动磁性块上设有通孔，所述导杆穿过两个可动磁性块，所述两个可动磁性块可沿所述导杆运动。
上述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置中，所述连杆的长度为L1，所述导杆的长度为L2，0＜L2＜2*L1。
一种卫星减振系统，包括上述的复合式振动控制装置，所述复合式振动控制装置通过壳型适配器与卫星连接。
借由上述技术方案，本发明提出的一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置至少具有下列优点：
1、本装置主要由非线性能量汇和磁性材料复合而成一种可实现航天器振动控制装置。利用了非线性能量汇良好的吸振特性实现航天器的振动控制。与传统的减振器相比，非线性能量汇有更好的吸振带和鲁棒性，因此本装置可以在更宽的频域上实现振动控制并且增加了航天器的稳定性，更高效率的减少有害振动对航天器的影响。
2、本装置能够实现壳型结构上振动能量的定向转移和吸收。这种组合装置利用NES将振动能量单向传递至此非线性装置中，转移了干扰的能量，使振动能量以阻尼和磁能的形式耗散掉，同时实现机构的被动振动控制的目标。
3、能够实现振动能量从主系统单向且不可逆地传递至非线性部分，达到有效的减振目标。
4、装置制造方便，成本较低，同时能解决工程中的实际问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例的复合式振动控制装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的卫星减振系统的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
复合式振动控制装置实施例
如图1所示，本实施例提供了一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置，其特征在于，包括壳型适配器1，在所述壳型适配器1内设有第一固定磁性环21、第二固定磁性环22、第一对固定磁性块31、第二对固定磁性块32、第一可动磁性联动组件41和第二可动磁性联动组件42，所述第一固定磁性环21固定设置在所述壳型适配器1的内壁上，在所述第一固定磁性环21上设有通孔；所述第一固定磁性环21固定设置在所述壳型适配器1的内壁上，所述第二固定磁性环22设置在所述第一固定磁性环21下方，在所述第二固定磁性环22上设有通孔；所述第一对固定磁性块31分别固定在所述壳型适配器1的上底面的边缘处；所述第二对固定磁性块32分别固定在所述壳型适配器1的下底面的边缘处，所述第一对固定磁性块31和所述第二对固定磁性块32在同一平面上；所述第一可动磁性联动组件41设置在所述壳型适配器1的上底面和所述第一固定磁性环21之间，所述第一可动磁性联动组件41与所述第一对固定磁性块31连接，所述第一可动磁性联动组件41首尾两个端面与第一对固定磁性块31同磁性端面相对，所述第一可动磁性联动组件41中间段端面与所述第一固定磁性环21同磁性端面相对；所述第二可动磁性联动组件42设置在所述壳型适配器1的下底面和所述第二固定磁性环22之间，所述第二可动磁性联动组件42与所述第二对固定磁性块32连接，所述第二可动磁性联动组件42首尾两个端面与第二对固定磁性块32同磁性端面相对，所述第二可动磁性联动组件42中间段端面与所述第二固定磁性环22同磁性端面相对；所述第一可动磁性联动组件41和第二可动磁性联动组件42经立方非线性弹簧5和阻尼材料6连接，所述立方非线性弹簧5和所述阻尼材料6贯穿所述通孔。
本发明的可动磁性联动组件的磁性端面分别与固定磁性环、固定磁性块的磁性端面同磁性端面相对，以利用磁极同性相斥的原理形成磁性阻尼。
本发明的复合式振动控制装置在工作环境中受到外界激励时候，可动磁性联动组件与壳型适配器1发生相对位移，产生的位移使其在固定磁性环、固定磁性块成的磁场中以磁能的方式吸收能量，最终通过往复运动产生的热能和磁能吸收并转移振动。
本发明所提供的复合式振动控制装置主要由非线性能量汇和磁性材料组成的一种可实现航天器振动控制装置，能够实现壳型结构上振动能量的定向转移和吸收，将振动能量单向传递至此非线性装置中，转移了干扰的能量，使振动能量以阻尼和磁能的形式耗散掉，同时实现机构的被动振动控制的目标。能够实现振动能量从主系统单向且不可逆地传递至非线性部分，达到有效的减振目标。
本发明通过在壳型适配器1中布置由立方非线性刚度、阻尼材料6和磁性块组成的可动磁性联动组件，其连接方式为立方非线性刚度与阻尼材料6并联再与磁性块串联。可动磁性联动组件串联形成多自由度非线性能量汇(Nonlinear energy sink，NES)NES，多自由度NES利用自身的强非线性刚度就会形成多个非线性共振频率，与航天器的振动频率形成共振，以靶能量传递的方式将航天器中的能量进行耗散。同时，所述复合式振动控制装置中的磁性材料形成的磁性阻尼也会起到能量耗散的作用，抑制航天器的振动。本发明可以有效的对于宽频振动产生振动抑制的效果，以保证航天器上的有效载荷可以有更好的使用环境。本发明具有结构简单、质量小，吸振频带宽的特点。
在本实施例的附图中，所述壳型适配器1的形状为正方体。
作为可以变化的实施方式，所述壳型适配器1可以根据实际应用调整成所需要的形状。
进一步地，为了提高所述复合式振动控制装置对于宽频振动产生振动抑制的效果，所述第一固定磁性环21的通孔的中心设置在所述壳型适配器1的第一中心轴线上；所述第二固定磁性环22的通孔的中心设置在所述壳型适配器1的第一中心轴线上。本实施例在所述壳型适配器1的上半部分和下半部分都放置有NES，上半部分的NES和下半部分的NES对称设置(即沿第二中心轴线对称设置)，另外，上半部分的NES沿第一中心轴线对称设置，下半部分的NES也沿第一中心轴线对称设置，从而，以应对不同方向的外部激励产生的振动；所述第一固定磁性环21和所述第二固定磁性环22沿所述壳型适配器1的第二中心轴线对称设置；所述第二中心轴线与所述第一中心轴线垂直。在本实施例中，第一中心轴线为纵向中心轴线，第二中心轴线为横向中心轴线。
进一步地，所述第一可动磁性联动组件41和所述第二可动磁性联动组件42沿所述壳型适配器1的第二中心轴线对称设置；对称布置的联动组件可以对来自不同方向的外部激励进行振动抑制且通过两个联动组件之间的联动可以得到更好的振动抑制效果。在本实施例中，所述第二中心轴线为横向中心轴。
进一步地，所述第一可动磁性联动组件41包括两个可动磁性块411和一个可动磁性盘412，可动磁性块411和可动磁性盘412之间经连杆413连接，两个可动磁性块411设置在两端，可动磁性盘412设置在中间，其中两个可动磁性块411经立方非线性弹簧5分别与所述第一对固定磁性块31连接，可动磁性盘412经非线性弹簧和阻尼材料6与所述壳型适配器1的上底面连接；在此实施方式中，所述第一可动磁性联动组件41的两个可动磁性块411分别与所述第一对固定磁性块31的同磁性端面相对(在本实施例中，显示的是S-S面相对，作为可以变化的实施方式，也可以N-N面相对)，所述第一可动磁性联动组件41的可动磁性盘412与所述第一固定磁性环21同磁性端面相对(在本实施例中，显示的是N-N面相对，作为可以变化的实施方式，也可以S-S面相对)；
进一步地，所述第二可动磁性联动组件42包括两个可动磁性块421和一个可动磁性盘422，可动磁性块421和可动磁性盘422之间经连杆423连接，两个可动磁性块421设置在两端，可动磁性盘422设置在中间，其中两个可动磁性块421经立方非线性弹簧5分别与所述第二对固定磁性块32连接，可动磁性盘422经非线性弹簧和阻尼材料6与所述壳型适配器1的下底面连接，在此实施方式中，所述第二可动磁性联动组件42的两个可动磁性块421分别与所述第二对固定磁性块32的同磁性端面相对(在本实施例中，显示的是S-S面相对，作为可以变化的实施方式，也可以N-N面相对)，所述第二可动磁性联动组件42的可动磁性盘422与所述第二固定磁性环22同磁性端面相对(在本实施例中，显示的是N-N面相对，作为可以变化的实施方式，也可以S-S面相对)。
所述第一可动磁性联动组件41和所述第二可动磁性联动组件42中，所述可动磁性盘412/422和可动磁性块411/421之间通过连杆413/423连接，固定磁性块和可动磁性块411/421之间连接立方非线性弹簧5使可动磁性块411/421可以沿导杆7滑动，同时保证固定磁性块和可动磁性块411/421的同磁性端面相对。固定磁性环和可动磁性盘412/422，所述固定磁性环和可动磁性盘412/422经导杆连接，所述固定磁性块和可动磁性块411/421之间通过导杆7约束运动方向，并利用磁极同性相斥的原理形成磁性阻尼。与可动磁性盘412/422连接的立方非线性弹簧5阻尼材料6以非线性的形式吸收能量。可动磁性联动组件中的可动磁性盘412/422、可动磁性块411/421产生的位移使其在固定磁性环、固定磁性块形成的磁场中以磁能的方式吸收能量，最终通过往复运动产生的热能和磁能吸收并转移振动。
进一步地，所述两个可动磁性块411/421和一个可动磁性盘412/422沿所述壳型适配器1的第一中心轴线对称设置，其中，可动磁性盘412/422的中心设置在所述第一中心轴线上。在本实施例的附图中，所述第一中心轴为纵向中心轴。
进一步地，所述阻尼材料6为高阻尼合金，所述阻尼材料6的阻尼性能在很宽的温度和频率范围内基本稳定。
更进一步地，所述阻尼高阻尼合金为铜-锌-铝系、铁-铬-钼系或锰-铜系合金，上述材料在很宽的温度和频率范围内基本稳定。
进一步地为了限制可动磁性块411/421的运动方式，在所述第一对固定磁性块31之间还固定有一导杆7，在所述第二对固定磁性块32之间也固定有一导杆7，所述导杆7穿过两个可动磁性块411/421和一个可动磁性盘412/422中的首尾两个可动磁性块411/421，所述首尾两个可动磁性块411/421可沿所述导杆7运动。也就是说，所述第一可动磁性联动组件41的两个可动磁性块411/421和一个可动磁性盘412/422中的首尾两个可动磁性块411/421振动时可沿所述导杆7运动，同样，所述第可动磁性联动组件的两个可动磁性块411/421和一个可动磁性盘412/422中的首尾两个可动磁性块411/421振动时可沿所述导杆7运动。
进一步地，所述连杆413/423的长度为L1，所述导杆7的长度为L2，0＜L2＜2*L1，以使所述第一可动磁性联动组件41的两个可动磁性块411和一个可动磁性盘412形成三角形，以及所述第二可动磁性联动组件42的两个可动磁性块421和一个可动磁性盘422形成三角形。
卫星减振系统实施例
如图2所示的一种卫星减振系统，包括卫星主体，在卫星主体两侧对称设置有一太阳翼帆板201，所述卫星主体包括上载荷仓202和下载荷仓203，在所述上载荷仓202和所述下载荷仓203之间设有上述实施例中的复合式振动控制装置，所述复合式振动控制装置通过壳型适配器1与卫星主体的上载荷仓202和下载荷仓203连接。所述卫星减振系统由于采用非线性能量汇，非线性能量汇有更好的吸振带和鲁棒性，因此，所述卫星减振系统可以在更宽的频域上实现振动控制并且增加了航天器的稳定性，更高效率的减少有害振动对航天器的影响。
所述卫星减振系统对卫星的承力结构实施减振，卫星的主承力结构一般分为承力筒式、箱板式、桁架式、外壳式、组合式等形式。作为卫星重要的承力结构，其力学性能决定星上载荷能否有效工作。在轨航天器在各种扰动源的影响下会产生微振动，微振动将影响高精度航天器有效载荷的主要性能及其工作效率。本发明对卫星在各种扰动源影响下的加速度幅度小、频率分布广的微振动进行振动控制。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置，其特征在于，包括壳型适配器，在所述壳型适配器内设有：
第一固定磁性环，所述第一固定磁性环固定设置在所述壳型适配器的内壁上，在所述第一固定磁性环上设有通孔；
第二固定磁性环，所述第一固定磁性环固定设置在所述壳型适配器的内壁上，所述第二固定磁性环设置在所述第一固定磁性环下方，在所述第二固定磁性环上设有通孔；
第一对固定磁性块，所述第一对固定磁性块分别固定在所述壳型适配器的上底面的边缘处；
第二对固定磁性块，所述第二对固定磁性块分别固定在所述壳型适配器的下底面的边缘处，所述第一对固定磁性块和所述第二对固定磁性块在同一平面上；
第一可动磁性联动组件，所述第一可动磁性联动组件设置在所述壳型适配器的上底面和所述第一固定磁性环之间，所述第一可动磁性联动组件与所述第一对固定磁性块连接，所述第一可动磁性联动组件首尾两个端面与第一对固定磁性块同磁性端面相对，所述第一可动磁性联动组件中间段端面与所述第一固定磁性环同磁性端面相对；
第二可动磁性联动组件，所述第二可动磁性联动组件设置在所述壳型适配器的下底面和所述第二固定磁性环之间，所述第二可动磁性联动组件与所述第二对固定磁性块连接，所述第二可动磁性联动组件首尾两个端面与第二对固定磁性块同磁性端面相对，所述第二可动磁性联动组件中间段端面与所述第二固定磁性环同磁性端面相对；
所述第一可动磁性联动组件和第二可动磁性联动组件经立方非线性弹簧连接，所述立方非线性弹簧贯穿所述通孔；
其中：
所述第一固定磁性环的通孔的中心设置在所述壳型适配器的第一中心轴线上；
所述第二固定磁性环的通孔的中心设置在所述壳型适配器的第一中心轴线上；
所述第一固定磁性环和所述第二固定磁性环沿所述壳型适配器的第二中心轴线对称设置；
所述第一可动磁性联动组件和所述第二可动磁性联动组件沿所述壳型适配器的第二中心轴线对称设置；
所述第二中心轴线与所述第一中心轴线垂直；
所述第一可动磁性联动组件包括两个可动磁性块和一个可动磁性盘，可动磁性块和可动磁性盘之间经连杆连接，两个可动磁性块设置在两端，可动磁性盘设置在中间，其中两个可动磁性块经立方非线性弹簧分别与所述第一对固定磁性块连接，可动磁性盘经立方非线性弹簧与所述壳型适配器的上底面连接；
所述第二可动磁性联动组件包括两个可动磁性块和一个可动磁性盘，可动磁性块和可动磁性盘之间经连杆连接，两个可动磁性块设置在两端，可动磁性盘设置在中间，其中两个可动磁性块经立方非线性弹簧分别与所述第二对固定磁性块连接，可动磁性盘经立方非线性弹簧与所述壳型适配器的下底面连接；
两个可动磁性盘经立方非线性弹簧连接；
所述两个可动磁性块沿所述壳型适配器的第一中心轴线对称设置，其中，可动磁性盘的中心设置在所述第一中心轴线上；
在所述可动磁性盘与所述壳型适配器的上底面之间还设有阻尼材料，两个可动磁性盘之间设有阻尼材料，在所述可动磁性盘与所述壳型适配器的下底面之间还设有阻尼材料，所述阻尼材料与所述立方非线性弹簧平行设置；
在所述第一对固定磁性块之间还固定有一导杆，在所述第二对固定磁性块之间也固定有一导杆，
在所述可动磁性块上设有通孔，所述导杆穿过两个可动磁性块，所述两个可动磁性块可沿所述导杆运动。
2.根据权利要求1所述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置，其特征在于，
所述阻尼材料为高阻尼合金，所述阻尼高阻尼合金为铜-锌-铝系、铁-铬-钼系或锰-铜系合金。
3.根据权利要求1所述的用于在轨航天器微振动的复合式振动控制装置，其特征在于，
所述连杆的长度为L1，所述导杆的长度为L2，0＜L2＜2*L1。
4.一种卫星减振系统，其特征在于，包括权利要求1~3任一项所述的复合式振动控制装置，所述复合式振动控制装置通过壳型适配器与卫星连接。
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