基于形状记忆合金的卫星整体振动抑制实验

张　振，方　勃，张业伟,段　楠

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院),沈阳 110136)



基于形状记忆合金的卫星整体振动抑制实验

张振，方勃，张业伟,段楠

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院),沈阳 110136)

卫星在发射过程中所处的恶劣动力学环境会增加其失效概率，要保证卫星发射成功，需要尽可能降低传递到卫星的振动幅值，保证航天器及其元件的可靠性。基于形状记忆合金(SMA)设计出了一种安装在适配器和卫星之间的隔振器。分别设计没有SMA隔振器和添加SMA隔振器两种状况下的整星隔振实验以检验SMA隔振器的隔振效果。对比两种状况下的振动幅值响应曲线发现，SMA隔振器能够有效地隔离振动，表现为低频隔振效果不明显，而高频段隔振效果好。

形状记忆合金；整星隔振；SMA隔振器；振动幅值

航天器在发射过程中，需要承受复杂和恶劣的动力学环境[1-3]，比如整流罩的气动噪声、推进器发动机振动、火工装置的爆炸冲击等。这些动力学环境引起的振动对航天器及其局部元件有着极大影响。根据美国 NASA 报道，航天器的发射失败大多是由于发射过程中恶劣的振动环境造成的航天器及其部分元件可靠性的降低甚至失效。因此对航天器在发射过程中的振动抑制至关重要。

1993年CSA公司应美国空军研究实验室和美国空间运载部的要求开始对整星系统减振和抗冲进行研究,此后整星隔振技术开始快速发展，各种隔振方案不断被提出[4-7]。Johnson等[8-9]研制了纵向隔振适配器Softride Uniflex，这是一种表面粘贴有约束阻尼结构的钛金属材料的弹性元件。Thomas等[10]研制了复合材料隔振器用以控制大轴径卫星的横纵向刚度比。涂奉臣等[11]提出一种采用磁流变阻尼器的新型整星隔振平台，并对其做了相关试验研究，验证了其可行性。李明明等[12]采用压电堆和粘弹性材料作为主被动隔振元件，设计了一种新型的整星混合隔振系统。反观已有的整星隔振方案，没有采用TiNiCu形状记忆合金材料作为隔振元件的方案。形状记忆合金(Shape Memory Alloys，即SMA)是一种新型的功能性材料，具有独特的形状记忆效应和超弹性特性，可作为作动器材料或阻尼材料用于振动控制中[13-15]。

本文提出了采用TiNiCu形状记忆合金材料作为隔振元件的整星隔振方案，设计了SMA整星隔振器，使用振动台对整形隔振系统进行正弦扫频实验，对比有无SMA隔振器状况下的幅值响应曲线来检验SMA整星隔振器的隔振效果。

1　实验方案

1.1实验设备及实验件

本实验应用一套专业的振动实验设备来完成，具体设备如表1所示：

表1　实验设备

其中振动台为航天希尔生产的三综合振动台，能够提供垂向、横向和纵向等三个方向的振动环境；控制分析系统为比利时LMS公司研发的LMS Test.Lab13A软件，可以提供的振动控制实验环境有正弦扫频、随机控制、冲击控制以及组合控制等。

采用TiNiCu形状记忆合金材料做成的隔振元件均匀地分布在适配器和卫星界面之间的连接器上构成SMA隔振器，如图1a所示。粘弹性阻尼器的结构如图1b所示，粘弹性阻尼器由两个金属肋板和其中间粘贴的粘弹性材料组成。观察两种隔振器的结构容易得出，在卫星升空过程中，由于纵向过载很大，造成粘弹性材料的破坏，使粘弹性阻尼器失效，会降低隔振器的可靠性，而SMA隔振器采用的形状记忆合金材料能够承载更大的纵向载荷且不存在失效的情况，增加了隔振器的可靠性，而且SMA隔振器结构简单，更易于实现。

1.2实验原理

本实验采用的振动控制试验环境为正弦扫频。

图1　隔振器结构简图

实验中试验件通过工装夹具刚性固定在振动台扩展台面上。试验采用两点平均控制方式进行，控制点均位于试验件与振动台扩展台面(垂向)的连接面上，均粘贴加速度传感器并联接到控制通道上。监测点“satellite”位于负载上，粘贴加速度传感器并联接到测试通道上。

图2　实验原理框图

控制信号由数据采集系统发出，经功率放大器将信号放大，进而控制振动台按照特定的功率谱密度进行振动，控制点处的加速度传感器测得振动台真实振动环境并反馈给数据采集系统，构成一个典型的闭环控制系统。另外，在试验件上安装加速度传感器用以测量试验件的振动情况并获得所需要的实验数据。实验原理框图如图2所示。

2　实验结果分析

图3　幅值响应曲线

对比图3中有无SMA整星隔振器状况下的幅值响应曲线，可以看出，在低频段，峰值处幅值下降幅度较小，隔振效果并不十分明显；在中频段，隔振效果仍旧不明显，但是共振频率有着明显的偏移；高频段表现出良好的隔振效果并且共振频率也发生了小偏移。由幅值变化可见，所设计的形状记忆合金(SMA)整星隔振器是有效果的：低频隔振效果差，这与其被动隔振特性有关，通常低频区的隔振都是通过主动控制实现的；高频隔振效果好，这充分体现了被动隔振对高频隔振效果好的特点。由共振峰值的偏移情况可知，添加SMA隔振器对整星系统低频段的固有频率没有影响，但却略微降低了中高频段的固有频率。

3　实验误差分析

为保证实验数据的准确性，两种安装工况各进行三次扫频实验以分析实验误差，实验测得幅值响应曲线如图4所示。可以看到，两种工况下三次扫频实验的幅值响应曲线的重合度都非常高，因此实验误差都可以忽略不计。

图4　两种工况下幅值响应曲线

4　结论

应用形状记忆合金(SMA)材料设计出了一种安装在适配器和卫星界面之间的SMA隔振器，相比粘性阻尼隔振器增加了隔振器的可靠性能。设计了正弦激励下的整星隔振实验，获得没有SMA隔振器和添加SMA隔振器两种状况下的振动幅值响应曲线。对比发现，SMA隔振器能够有效地隔离振动，其中，低频段隔振效果不明显，高频段隔振效果好，充分体现了被动隔振的特点。SMA隔振器对整星系统低频段的固有频率没有影响，但略微降低了中高频段的固有频率。

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(责任编辑：刘划英文审校：赵欢)

Experiment of whole-spacecraft vibration isolation based on shape memory alloys

ZHANG Zhen，FANG Bo，ZHANG Ye-wei，DUAN Nan

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The severe dynamic environment during spacecraft launch will increase its failure probability,therefore,for the successful launching of spacecraft,the amplitude of vibration transferred to spacecraft must be decreased so as to ensure the reliability of the satellite and its components.Therefore,a whole-spacecraft vibration isolator was presented which is installed between the adapter and the spacecraft.The major component of the vibration isolator was made up of the shape memory alloys(SMA).The experiment of whole-spacecraft vibration isolation with SMA vibration isolator and without SMA vibration isolator were designed to examine the effects of SMA vibration isolator.By comparing the vibration amplitude response curve of two cases the resnlts show that the SMA vibration isolator can effectively isolate the vibration,characterized by not obvious effect on low frequency vibration isolation and good effect on high frequency vibration isolation.

shape memory alloys；whole-spacecraft vibration isolation；SMA vibration isolator；vibration amplitude

2015-10-28

国家自然科学基金(项目编号：11402151)；辽宁省自然科学基金(项目编号：2015020106；2013024005)

张振(1988-)，男，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向：空间飞行器动力学与控制，E-mail：zhangzhen017@126.com;方勃(1964-)男，辽宁沈阳人，教授，主要研究方向：空间飞行器动力学与控制，E-mail：bfang0825@163.com。

2095-1248(2016)04-0009-04

TP391.41

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.04.002