太阳翼黏滞阻尼器的可靠性评估方法

濮海玲 刘志全 王晛

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

太阳翼展开冲击载荷影响的严重性越来越受到关注，越来越多的阻尼器在太阳翼上得到了应用。黏滞阻尼器（简称阻尼器）是一种以高黏度阻尼液体为工质的稳定耗能装置。相对于其它类型的阻尼器，该阻尼器具有动力性能稳定、耗能能力强、对振动冲击敏感、构造简单和可靠性高等优点，因而被广泛用于吸收太阳翼展开末了时刻的剩余能量，从而降低展开锁定冲击载荷。

阻尼器的关键性能参数为阻尼率。若阻尼率过小，则导致太阳翼展开速度过快、锁定冲击载荷过大。当冲击载荷超过许用值时，势必造成太阳翼驱动装置（Solar Array Drive Assembly，SADA）或其它对冲击敏感的结构受损。所以，必须采取措施保证阻尼器可靠，并定量评估阻尼器的可靠性。随着越来越多的技术状态相同的阻尼器地面试验数据的积累，定量评估阻尼器可靠性已成为可能。

本文基于阻尼器的可靠性特征量，提出阻尼器可靠性评估方法，可为有效利用阻尼器地面测试数据评估阻尼器的可靠性提供依据。

2 阻尼器的结构、工作原理及可靠性特征量

阻尼器的结构组成及工作原理如图1所示。阻尼器包括叶轮、壳体、动密封部件、温度补偿腔、黏性阻尼液体等。

叶轮将阻尼器内腔分为A 和B两个容腔，两腔内均装满黏性阻尼液体，在叶轮与壳体内壁间留有缝隙。当叶轮以一定角速度ω旋转时，容腔B 体积增大形成部分真空，促使黏性阻尼液体通过缝隙由高压腔A 向低压腔B 流动；容腔A 的体积减小，受压的黏性阻尼液体通过缝隙流向B 腔。高黏度阻尼液体通过缝隙产生阻尼力，此阻尼力对于叶轮产生阻尼力矩［1］。

图1 阻尼器的结构组成及工作原理Fig．1 Structure and principle of a rotary viscous damper

图2所示为阻尼器在太阳翼根部铰链上安装的应用示例。阻尼器与根部铰链的转动轴同轴安装。

图2 阻尼器在太阳翼上的安装Fig．2 Solar wing with rotary viscous damper

当太阳翼展开时，根部铰链的转动轴带动阻尼器的叶轮旋转，阻尼器产生的阻尼力矩又通过转动轴施加到根部铰链上，限制根部铰链的转动角速度，各铰链间的联动装置按照传动比关系，将阻尼力矩逐级传递到所有铰链上，抑制了太阳翼整个展开过程中的运动速度，从而减小了锁定冲击［2］。

本文提及的狭缝式黏滞阻尼器的阻尼特性，主要取决于阻尼率c，它定义为阻尼力矩与叶轮角速度之比，其与阻尼器结构尺寸以及黏性液体物理特性之间的关系［3］为

式中：M为阻尼力矩；ω为叶轮的角速度；μ为液体动力黏度；D0为壳体内径；h为缝隙径向高度。

由式（1）可知，阻尼率c正比于液体动力黏度和壳体内径的六次方，反比于缝隙径向高度的三次方。即黏性阻尼液体的动力黏度越大，阻尼率越高；缝隙径向高度越大，阻尼率越低。其次，由于液体动力黏度与温度有很大关系，随着温度降低液体动力黏度变小，阻尼率变大。

因此，阻尼器的可靠性R可以用“在规定温度和驱动力矩下，阻尼器的阻尼率c保持在一定区间范围内的概率”来表征，即R＝P（cL≤c≤cU），其中，cU为阻尼率上限，cL为阻尼率下限。所以，阻尼器的可靠性特征量［4］确定为阻尼器的阻尼率c。

3 阻尼器的可靠性评估方法

3．1 测试数据的采集

在阻尼器的研制过程中，为了验证阻尼器在经历了力学鉴定（验收）试验和热真空鉴定（验收）试验后，阻尼特性是否能够稳定在设计要求范围内，体现试验环境对阻尼器性能的影响，分别在阻尼器装配完成后、力学试验后、热真空试验后，各进行两次（即顺时针旋转1 次、逆时针旋转1 次）阻尼率性能测试，因此，每个阻尼器都获得6个顺时针旋转和6个逆时针旋转的测试结果，共12个数据。从产品经过不同试验环境后会发生微小的状态变化这一观点看，这12个数据具有独立性。测试结果包括阻尼力矩和角速度随展开时间的变化曲线，典型测试结果如图3所示。截取阻尼力矩和角速度为常值部分的曲线，按照公式（1）分析每一次测试的阻尼率。测试数据的合格判据为：在规定温度和驱动力矩下，阻尼率满足cL≤c≤cU。

对于m个设计状态相同的阻尼器来说，会得到12m个c的实测值，这12m个数据即可作为阻尼器可靠性评估的基本数据。

图3 典型阻尼器的测试曲线Fig．3 Measuring curve of typical rotary viscous damper

3．2 可靠性评估方法

对于12m个阻尼率数据cj（j＝1，2，…12m），可按照文献［5-6］所述方法对数据进行正态性检验，同时可计算出阻尼率的均值c和标准差Sc。

在阻尼器的阻尼率cj不拒绝正态分布假设的前提下，可对阻尼器进行如下的可靠性评估。由于阻尼率受双侧限制，即cL≤c≤cU，则根据之前求得的c和Sc，可通过如下公式分别求得阻尼率的双侧容许限系数K1，K2：

根据阻尼器测试样本数量n＝12m，K1，K2和置信度γ，查标准GB4086．1 和QJ1384［7-8］可获得下限超差概率p1、上限超差概率p2，进而求得可靠性R＝1-（p1＋p2）。

4 应用示例

某太阳翼系列累积应用了10套技术状态完全相同的阻尼器，即m＝10。在研制过程中，对所有阻尼器在25 ℃和25N·m 驱动力矩下进行了阻尼率测试。获得了120个阻尼率数据，如表1所示。按照文献［6］所述方法对这些数据进行正态性检验，结果表明该组数据不拒绝正态性假设。

表1 某太阳翼系列10套阻尼器的阻尼率测试数据Table 1 Damping rate measurement data of 10rotary viscous dampers for a solar wing series N·m·s／rad

由式（2）、式（3）可求得，c＝61．822 2N·m·s／rad，Sc＝1．947 0N·m·s／rad。

该系列太阳翼要求cL＝55N·m·s／rad，cU＝69N·m·s／rad，由式（4）和式（5）可求得极限取值K1＝3．504 0，K2＝3．686 6。置信度γ由航天器系统统一给定，此处γ＝0．7，通过查标准GB4086．1和QJ1384［7-8］可得到下限超差概率p1＝0．000 49，上限超差概率p2＝0．000 33。

所以，在温度为25 ℃，驱动力矩为25N·m 的情况下，阻尼器阻尼率满足55≤c≤69（单位：N·m·s／rad）的可靠性按γ＝0．7进行评估，可得R＝1-（p1＋p2）＝0．999 18。

如上所述，黏性阻尼液体的黏度与温度有很大关系，不同温度下阻尼器的可靠度是不同的。这里取25 ℃下的测试数据是考虑了阻尼器在轨工作时的实际温度为20 ℃～25 ℃，25 ℃下黏性阻尼液体的黏度更小，阻尼性能更差，即测试条件覆盖了任务剖面中的最严酷的情况。

5 结束语

本文提出了利用阻尼器的阻尼率测试数据定量评估阻尼器可靠性的方法，可以解决阻尼器可靠性评估的问题。航天器其它展开机构若采用黏滞型阻尼器，其可靠性评估也可借鉴本文的方法进行。

（References）

［1］徐青华，刘立平．航天器展开机构阻尼器技术概述［J］．航天器环境工程，2007，24（4）：239-243

Xu Qinghua，Liu Liping．Techniques of dampers for spacecraft deployment mechanism［J］．Spacecraft Environment Engineering，2007，24（4）：239-243（in Chinese）

［2］王晛，陈天智，柴洪友．太阳翼地面展开锁定的动力学仿真分析［J］．航天器工程，2011，20（3）：86-92

Wang Xian，Chen Tianzhi，Chai Hongyou．Dynamics simulation analysis of solar array ground deployment and locking［J］．Spacecraft Engineering，2011，20（3）：86-92（in Chinese）

［3］Koller F，Nitschko T，Labruyere G．Viscous rotary damper［C］／／Proceedings of the 5th European Space Mechanisms and Tribology Symposium．Paris：ESA，1993

［4］刘志全．航天器机械可靠性特征量裕度的概率设计方法［J］．中国空间科学技术，2007，27（4）：34-43

Liu Zhiquan．Probability design method of margins of safty for reliability characteristic parameters of space mechanical products［J］．Chinese Space Science and Technology，2007，27（4）：34-43（in Chinese）

［5］刘志全．航天器机构的可靠性试验方法［J］．中国空间科学技术，2007，27（3）：39-45

Liu Zhiquan．Reliability test methods of spacecraft mechanisms［J］．Chinese Space Science and Technology，2007，27（3）：39-45（in Chinese）

［6］国家标准化管理委员会．GB 4882-2001 中华人民共和国国家标准：数据的统计处理和解释 正态性检验［S］．北京：国家标准化管理委员会，2001

Standardization Administration of the People’s Republic of China．GB 4882-2001National Standard Agency：Statistical interpretation of data—normality tests［S］．Beijing：Standardization Administration of the People’s Republic of China，2001（in Chinese）

［7］国家标准化管理委员会．GB 4086．1-1983中华人民共和国国家标准：统计分布数值表 正态分布［S］．北京：国家标准化管理委员会，1983

Standardization Administration of the People’s Republic of China．GB 4086．1-1983 National Standard Agency：Statistical distribution numerical tabular—normal distribution［S］．Beijing：Standardization Administration of the People’s Republic of China，1983（in Chinese）

［8］中华人民共和国航天工业部．QJ 1384-88正态分布双侧容许限系数表［S］．北京：中华人民共和国航天工业部，1988

China Space Industry Ministry．QJ1384-88Normal distribution bilateral limit coefficient chart［S］．Beijing：China Space Industry Ministry，1988（in Chinese）