孟光*,周徐斌

1.上海航天技術(shù)研究院 院部,上海 201109 2.上海衛(wèi)星工程研究所 所部,上海 200240 3.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,上海 200240

科學(xué)技術(shù)以及國防軍工的發(fā)展對衛(wèi)星的高分辨率等性能提出了更高要求。迄今,中國已經(jīng)研制并發(fā)射了如高分一號[1]等分辨率達亞米級的衛(wèi)星。制約衛(wèi)星分辨率提高的因素多種多樣,其中,由星上活動部件引起的微振動對敏感載荷性能的影響引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的持續(xù)關(guān)注。這里的微振動是指衛(wèi)星在軌運行期間,主要由轉(zhuǎn)動部件(如動量輪等轉(zhuǎn)動部件、太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)等步進部件、相機擺鏡等擺動部件等)正常工作造成的衛(wèi)星幅度較小的往復(fù)運動或振蕩。微振動的主要特點是幅值小、頻帶寬、控制難。微振動產(chǎn)生的位移一般在微米量級甚至更小,但是其危害卻十分顯著,尤其對于高軌衛(wèi)星,由于距離地球較遠(yuǎn),微振動可能造成觀測的巨大誤差并嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。微振動的頻率范圍從極低頻到數(shù)千赫茲,其中幾赫茲到幾百赫茲范圍內(nèi)的振動能量較大,不易衰減。微振動由于振幅小,在機械結(jié)構(gòu)中的傳播機理復(fù)雜,使依賴于摩擦耗能的減振方法性能下降,而且微振動測量易受環(huán)境噪聲影響,對姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)提出挑戰(zhàn),使控制設(shè)計更加復(fù)雜。對此,各國學(xué)者對衛(wèi)星在軌微振動控制進行了大量研究[2-3]。本文在簡單介紹國內(nèi)外衛(wèi)星領(lǐng)域微振動研究進展后,結(jié)合工程實際,按振動控制手段進行分類,對微振動控制方法以及微振動控制設(shè)計過程中所需要注意的問題進行總結(jié)。

1 衛(wèi)星微振動控制的分類

從振源傳遞到敏感載荷的傳遞路徑如圖1所示。從傳遞路徑上來講,衛(wèi)星的微振動控制分為振源控制、傳遞途徑控制以及敏感載荷控制。

圖1 微振動在衛(wèi)星中的傳遞路徑Fig.1 Transfer path of micro-vibration in satellite

圖2 附加壓電片的飛輪主動彈性支撐隔振裝置[5]Fig.2 Active elastic micro-vibration isolation support device of flywheel with piezoelectric actuator[5]

圖3 飛輪隔振支架[6]Fig.3 Micro-vibration isolation support device of flywheel[6]

圖4 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的飛輪隔振裝置[7]Fig.4 Flywheel micro-vibration isolation device adopted by Hubble space telescope(HST)[7]

1)振源控制

首先,從根本上來講,要減弱甚至消除振動產(chǎn)生的源頭。飛輪(反作用輪(RW))作為衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),工作時產(chǎn)生的擾動是影響有效載荷成像質(zhì)量的主要擾動源。飛輪的振動主要由飛輪的不平衡、內(nèi)部共振、軸承缺陷、馬達波動等因素引起,其中質(zhì)量不平衡和軸承缺陷是最主要的因素[4]。因此,提高飛輪制造精度和采用高精度軸承是降低振源的根本。

其次,要控制振源部件對外的影響,可以在振源與傳遞路徑之間采取振動隔離措施,或?qū)φ裨床扇∫欢ǖ南翊胧?。目?對飛輪隔振的主要手段為安裝隔振裝置。General Motors公司的密封流體隔振器,安裝在飛輪內(nèi)圈平衡架的軸端,用于隔離飛輪的振動。圖2所示為Kamesh提出的附加壓電片的飛輪主動彈性支撐隔振裝置[5]。該裝置用由5個折疊梁的被動柔性支架隔振裝置對飛輪進行被動隔振,并基于最優(yōu)控制理論,在豎向的支架梁上附加壓電片作動器實施主動隔振,并對不同參數(shù)的折疊梁被動支架隔振裝置進行測試,取得了較好的隔振效果。NASA在AXAF(Advanced X-Ray Astrophysics Facility)中采用被動隔振平臺對飛輪進行隔振[6],其結(jié)構(gòu)如圖3所示,隔振裝置采用了在平衡點附近有較低的剛度,而在遠(yuǎn)離平衡點剛度增大的非線性彈簧,實驗結(jié)果顯示隔振效果良好,滿足設(shè)計要求。圖4為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)上所采用的飛輪液體阻尼隔振裝置[7]。該裝置由霍尼韋爾公司生產(chǎn),該隔振器由無摩擦流體阻尼器和金屬彈簧組成,每兩個成一對,安裝在飛輪與固定結(jié)構(gòu)之間。

Worldview-2是第一批采用控制力矩陀螺(CMGs)的商業(yè)衛(wèi)星,于2009年10月6日發(fā)射升空,運行在770 km高的太陽同步軌道上,能夠提供0.5 m全色圖像和1.8 m分辨率的多光譜圖像[8]。它的CMGs組件中包含4個力矩陀螺,通過8根隔振器連接到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)微振動隔離,具體布置如圖5所示。

圖5 Worldview-2衛(wèi)星CMGs隔振裝置[8]Fig.5 CMG micro-vibration isolation device adopted by Worldview-2[8]

2)傳遞路徑控制

振動傳遞路徑與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計有關(guān),不同結(jié)構(gòu)形式的傳遞特性表現(xiàn)不同。干擾源、傳遞路徑與有效載荷之間的相互耦合,通過路徑優(yōu)化控制源擾動,一方面減少結(jié)構(gòu)對振源能量的吸收,另一方面使振動從干擾源到載荷的傳遞過程中得到充分的耗散。常用的控制措施有:通過增加局部剛度提高局部模態(tài)頻率,避開局部共振；增加結(jié)構(gòu)阻尼,不僅可以抑制局部共振,還可以消耗結(jié)構(gòu)中傳遞的振動能量,如鋪設(shè)約束阻尼層[9]。

3)載荷隔離技術(shù)

載荷隔離技術(shù)和振源激勵的隔離有著相同的目的,都是減小激勵對載荷的影響。如果將衛(wèi)星的整體結(jié)構(gòu)看做基礎(chǔ)的話,前者屬于積極消振,而后者屬于消極隔振；然而從振動隔離的手段上來看,兩者可采用的措施是通用的,沒有本質(zhì)的區(qū)別。目前用于載荷振動隔離的隔振平臺主要以多桿并聯(lián)為典型特征,如以正交六桿組成的Steward平臺[10]。在此基礎(chǔ)上,還演化出以下幾種:

① 具有隔振、緩沖、操縱于一體的VISS(Vibration Isolation,Suppression and Steering System)隔振平臺。這種平臺除了能夠?qū)ξ⒄駝舆M行隔離和緩和沖擊以外,由于其行程大還能夠在一定范圍內(nèi)對載荷平臺的姿態(tài)進行調(diào)整。

②超靜平臺。這種平臺能夠?qū)ξ⒄駝舆M行隔離和緩和沖擊,但是超靜平臺的行程一般較小,不能滿足姿態(tài)調(diào)整的要求。

③小型隔振系統(tǒng)。這種隔振平臺是為了滿足多桿并聯(lián)平臺小型化而產(chǎn)生的,一般由2～3個垂直正交的隔振器組成一個隔振器組件,再由3個以上組件對某個載荷進行隔振。這種小型隔振系統(tǒng)與超靜平臺的功能是一樣的,不同的地方在于小型隔振系統(tǒng)由2～3個垂直正交的隔振單機所組成,可以實現(xiàn)較小的體積和質(zhì)量,并且小型隔振系統(tǒng)組件的布局較為靈活,對安裝空間的要求相對較低,此構(gòu)型的代表為美國研發(fā)的小型主動隔振單元[11]。圖6所示為基于Biopod的載荷精密隔振系統(tǒng)[12],可通過幾個這樣單元的協(xié)同控制來實現(xiàn)對大型載荷的微振動控制。

圖6 精密載荷微振動隔振單元[12]Fig.6 Micro-vibration isolation and suppression system for precision payloads in space[12]

以上的幾種平臺一般都由被動、主動或主被動混合的隔振器單機構(gòu)成。被動部分對高頻的隔振較為有效,對共振區(qū)及低頻段的隔振效果較差,甚至?xí)鸬椒糯笞饔茫欢鲃涌刂撇糠謩t主要實現(xiàn)對低頻段的振動隔離,可以彌補被動隔振系統(tǒng)的不足。主被動混合控制能夠發(fā)揮主動和被動控制的優(yōu)點,彌補相互的不足,在對微振動要求較高的載荷上一般都采用這種控制手段。由于被動控制手段的高可靠性,使得主被動混合控制的魯棒特性非常好,即使在主動控制失效的情況下,被動控制部分依舊正常工作,實現(xiàn)對微振動的隔振。

2 微振動被動隔振技術(shù)

被動隔振技術(shù)性能穩(wěn)定、可靠性高,因此在衛(wèi)星微振動控制中得到廣泛使用。對衛(wèi)星上的振源以及敏感載荷均可以采用被動隔振方法。一般來講,純被動隔振系統(tǒng)的剛度較低,在衛(wèi)星發(fā)射過程中,需要隔振系統(tǒng)具有較大的剛度以承受較大的過載。因此,被動隔振系統(tǒng)在設(shè)計方案中必須同時考慮剛性固支單元和柔性隔振單元。剛性固支單元在主動段起到承載的作用,主要包括支撐結(jié)構(gòu)、解鎖分離機構(gòu)等。柔性隔振單元在敏感載荷工作時起到隔振的作用,主要由彈性隔振器構(gòu)成[13]。

對于小質(zhì)量的被隔振對象,受質(zhì)量約束指標(biāo)的限制,無法使用剛性固支單元的被動隔振單元,還應(yīng)設(shè)計主動段緩沖保護裝置,使其在發(fā)射過程中避免損壞。

含緩沖裝置的隔振系統(tǒng)可以簡化為如圖7所示的含間隙的彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng),質(zhì)量塊的質(zhì)量為m,彈簧1的剛度為

式中:kf1和kf2分別為第一、二層彈簧的剛度；kvem為阻尼材料的附加剛度。質(zhì)量塊與彈簧2接觸后兩彈簧的總剛度為k=k1+k2(k2為緩沖器的剛度),間隙的寬度Gap為a0,則系統(tǒng)的剛度以分段線性函數(shù)表示為

可以看出此時的隔振系統(tǒng)為典型的非線性系統(tǒng)。

圖7 帶緩沖裝置的隔振單元模型Fig.7 Vibration isolation system model with buffer device

工程中為避免跳躍現(xiàn)象引起機械設(shè)備性能突變甚至破壞,就須在非跳躍區(qū)選擇系統(tǒng)參數(shù)。跳躍現(xiàn)象只出現(xiàn)在小阻尼、較小激勵的情況下,因此,適當(dāng)增大阻尼、激勵強度都可以防止跳躍現(xiàn)象出現(xiàn)。

在進行被動隔振系統(tǒng)的剛度設(shè)計時,主要考慮的內(nèi)容有隔振單元的剛度分布范圍以及空間六自由度解耦設(shè)計[13]。隔振理論表明,想獲取更好的隔振效果,需要將剛度設(shè)計得盡可能低,以獲取更低的系統(tǒng)固有頻率。然而,在空間失重環(huán)境下還應(yīng)充分考慮到衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)的影響,固有頻率不能設(shè)計得過低。尤其對于衛(wèi)星執(zhí)行機構(gòu)的被動隔振,要保證低頻力矩的傳遞以及高頻振動的隔離。若隔振單元的合成剛度在安裝點處的剛度矩陣可以表示為K,被隔振物體的質(zhì)量矩陣為M,位移矩陣為X,則有

圖8 三參數(shù)隔振模型原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of three-parameter vibration isolation model

求取矩陣M-1K的6個特征值即可得到隔振系統(tǒng)的6個固有頻率,由此可以分析隔振系統(tǒng)的頻率分布寬度。

在進行被動隔振系統(tǒng)阻尼設(shè)計時,阻尼比的大小和高頻衰減能力存在矛盾。因此,經(jīng)典的彈簧阻尼兩參數(shù)隔振模型存在不足,近年來,采用三參數(shù)模型來限制共振放大倍數(shù)并提高高頻振動衰減能力的設(shè)計成為研究熱點,三參數(shù)的理論模型如圖8所示,圖中:m為隔振質(zhì)量；k為主彈簧剛度；c為系統(tǒng)阻尼系數(shù)；N為主彈簧和輔彈簧的剛度比。阻尼比選定為ζ=0.2,兩參數(shù)隔振系統(tǒng)以及不同剛度比N下的三參數(shù)隔振系統(tǒng)絕對傳遞率曲線如圖9所示?？梢钥闯?三參數(shù)隔振系統(tǒng)[14]的絕對傳遞率曲線在高頻段比兩參數(shù)隔振系統(tǒng)的絕對傳遞率曲線更加陡峻。由此可見,相同的共振放大倍數(shù)情況下,三參數(shù)隔振系統(tǒng)比普通單級隔振系統(tǒng)能夠更有效地衰減高頻振動。

所謂的耦合性,是指某個方向上的振動能夠誘發(fā)其他方向上的關(guān)聯(lián)振動。一般情況下,隔振系統(tǒng)空間上具有6個自由度,6個自由度之間存在一定的耦合關(guān)系。以光學(xué)有效載荷為例,一般情況下光學(xué)有效載荷對角振動比線振動敏感[15]。因此,解除6個自由度相互之間尤其是角振動與線振動之間的耦合非常重要。判定系統(tǒng)的解耦程度可利用能量法依據(jù)各階模態(tài)的參與程度判斷[16]。在星體坐標(biāo)系中,根據(jù)隔振系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣M和振型φi,定義系統(tǒng)的能量分布矩陣。

當(dāng)系統(tǒng)作i階主振動時,其最大動能為

式中:ωi(i=1,2,…,6)為隔振系統(tǒng)第i階振動的固有頻率；mkl為質(zhì)量矩陣的第k行、第l列的元素(k,l=1,2,…,6)；(φi)l和(φi)k為振型φi的第l和第k個元素。

從而,在第k個廣義坐標(biāo)上分配到的能量為

第k個廣義坐標(biāo)上分配的能量占系統(tǒng)總能量的百分比為

在第k個自由度上,Tp在各階振動中的最大值即自由度k上的振動解耦度。如果Tp=100%,則表示隔振系統(tǒng)作第i階主振時能量全部集中在第k個自由度上,即這個自由度相對其他的自由度解耦。能量解耦法是在得到隔振系統(tǒng)的6個固有模態(tài)后,利用振型得到隔振系統(tǒng)的能量分布,根據(jù)能量分布判斷隔振系統(tǒng)是否解耦或其解耦的程度,然后通過修改隔振系統(tǒng)的剛度參數(shù)提高系統(tǒng)在特定方向上的解耦度。

圖9 兩參數(shù)和三參數(shù)隔振系統(tǒng)的絕對傳遞率曲線Fig.9 Curves of absolute transmissibility of twoparameter and three-parameter vibration isolation systems

3 微振動吸振技術(shù)

3.1 定頻吸振技術(shù)

對于星上頻率較為單一的振源(例如控制力矩陀螺,其工作轉(zhuǎn)頻一般穩(wěn)定在100 Hz,主要振動能量大部分集中在100 Hz頻段內(nèi)),可以使用定頻吸振技術(shù)進行振動控制。當(dāng)外界激勵頻率和動力吸振器固有頻率接近時,吸振器能有效地降低被控對象的振動響應(yīng),其原理是吸振器自身受到的慣性力削弱甚至抵消作用在受控對象上的干擾力[17]。定頻吸振的原理如圖10所示,圖中:kd和cd分別為吸振器的剛度和阻尼；ks和cs分別為主系統(tǒng)的剛度和阻尼；md為吸振器的質(zhì)量；ms為主系統(tǒng)質(zhì)量；xd為吸振器位移；xs為主系統(tǒng)位移；f為主質(zhì)量受到的力。上述量均為固定值。

圖10 定頻吸振原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of invariable frequency vibration absorber theory

3.2 變頻吸振技術(shù)

定頻吸振技術(shù)的一個缺點是其可進行振動控制的頻帶較窄,而星上振源如飛輪等工作時其轉(zhuǎn)速是在一個相對較寬的范圍內(nèi),其產(chǎn)生的振動頻率范圍也較大,因此參數(shù)固定的被動式動力吸振器不能滿足星上振動頻率在一定范圍內(nèi)變化的振源減振需求。為了解決上述問題,需要在被動式動力吸振器的基礎(chǔ)上,引入主動控制技術(shù)[18],主動調(diào)節(jié)吸振器的吸振頻率。變頻動力吸振器在被動式動力吸振器的結(jié)構(gòu)中引入剛度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),可根據(jù)振源激勵頻率的變化,實時調(diào)整吸振器的減振頻帶,保持最佳減振效果。其中,剛度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的種類多種多樣,主要有機械式、空氣彈簧式、電磁變頻式和智能材料式等。吸振器的引入,使得主結(jié)構(gòu)在共振頻率處響應(yīng)較小,變頻吸振技術(shù)使得響應(yīng)較小的頻帶加大,在一定頻帶范圍內(nèi),使得主結(jié)構(gòu)的響應(yīng)始終保持在谷帶。

采用機械變頻結(jié)構(gòu)(圖11所示)的吸振試驗表明,在10 Hz頻帶范圍內(nèi),均可以使主結(jié)構(gòu)的響應(yīng)降低到未加吸振器響應(yīng)的80%以下。

圖11 機械式變頻動力吸振器結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of variable frequency vibration absorber based on mechanical stiffness switch

除了機械式調(diào)頻機構(gòu)外,還可以使用電磁彈簧進行頻率調(diào)節(jié),基于斥力懸浮的可變剛度電磁彈簧如圖12所示,通過調(diào)節(jié)線圈的輸入電流,可以實現(xiàn)對吸振器頻率的快速、精確的控制,使得吸振器的吸振頻率保持在更寬頻帶內(nèi),從而實現(xiàn)變頻吸振效果。

圖12 基于電磁式剛度轉(zhuǎn)換的變頻吸振器結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of variable frequency vibration absorber based on electro-magnetic stiffness switch

4 低頻撓性振動控制

現(xiàn)代衛(wèi)星正在向大型化、低剛度與柔性化方向發(fā)展,衛(wèi)星上所附帶的撓性結(jié)構(gòu)也越來越多。撓性附件一般基頻較低,低頻密集現(xiàn)象也比較明顯。而衛(wèi)星在軌由于反作用飛輪、伺服機構(gòu)、陀螺等活動部件的運動成為動力擾動源,易與撓性附件產(chǎn)生耦合和共振現(xiàn)象,從而對整星的姿態(tài)產(chǎn)生不良影響,并可能影響部分關(guān)鍵載荷工作的可靠性和穩(wěn)定性。對低頻撓性的微振動控制,工程上常用的兩種技術(shù)途徑分別為阻尼控制和剛度控制。

4.1 大型撓性附件的阻尼控制

對于大撓性結(jié)構(gòu)低阻尼的特性,可以通過安裝阻尼器或約束阻尼層的方法提高結(jié)構(gòu)的阻尼比,進而減小響應(yīng)并加快系統(tǒng)穩(wěn)定時間。在約束阻尼層的基礎(chǔ)上引入智能材料如壓電材料等進行控制,來改變結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性,從而達到抑制撓性振動的作用。

圖13所示為美國NASA蘭利研究中心針對大型薄膜天線的振動抑制問題開展的主動控制研究[19],通過在薄膜天線的一個張拉節(jié)點中布置作動器,實現(xiàn)薄膜陣面的振動抑制。該裝置通過MFC(Macro Fiber Composite)作動器和壓電作動器對薄膜陣面施加主動控制力。

圖13 大型薄膜天線的主動振動控制[19]Fig.13 Active vibration control of large-scale film antenna[19]

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料學(xué)院近年來開展了大柔性桁架和太陽能帆板振動抑制的研究[20],其研制的天弦一號太陽翼振動控制裝置已成功應(yīng)用于高分二號衛(wèi)星。

著名的哈勃望遠(yuǎn)鏡曾遇到過太陽翼低頻擾動所帶來的微振動問題。通過在太陽翼根部連接阻尼器,如圖14所示,實現(xiàn)擾動控制[9]。阻尼器的剪切層由鈦合金-黏彈性材料(VEM)-鈦合金組成,中心支柱是阻尼器的主要力傳遞路徑,太陽翼彎曲模態(tài)中卷盤產(chǎn)生彎曲,從而消散機械能,以達到快速穩(wěn)定。實驗表明,阻尼器在-4～17℃內(nèi)能夠提供2.25%的阻尼比。

圖14 哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽翼用阻尼器及其有限元模型[20]Fig.14 Damper and finite element model of HST solar array[20]

4.2 大型撓性附件的剛度控制

除了使用阻尼以及壓電材料增加系統(tǒng)阻尼特性實現(xiàn)對大撓性附件的控制外,通過施加外部的繩系約束來達到在軌改變撓性附件振動頻率,從而避免產(chǎn)生耦合、改變系統(tǒng)的動力學(xué)特性也是常用的方法。具體地,通過繩索[21]對撓性附件進行一定的外力和約束,并通過對拉繩張緊程度的主動調(diào)整和控制,來改變該撓性附件的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性,以此來達到抑制振動、降低耦合振動的工程風(fēng)險,受牽拉桁架的結(jié)構(gòu)如圖15所示。在適當(dāng)選取繩系、張拉力點位置以及張拉力的情況下,對附件頻率的改變量可以達到20%～50%。

張緊繩索的作用相當(dāng)于在撓性附件的末端增加了附加的單向剛度約束。為了分析,建立如圖16所示的模型,其為一端固支、一端具有彈性約束的梁模型,其中彈性元件是用來約束該梁右端的。

圖15 受牽拉桁架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15 Schematic diagram of truss structure with tensioning cordage

圖16 彈性約束梁模型Fig.16 Model of elastic restraint beam

不同支承剛度下某梁的前兩階振動特征值如圖17所示。

圖17 支撐剛度對一二階特征值的影響Fig.17 Effect of support stiffness on the first and second eigenvalues

針對撓性附件增頻的要求,對撓性附件受張緊拉索作用后的狀態(tài)的改變進行分析。繩索對撓性附件頻率的改變主要體現(xiàn)在兩個方面:①張緊繩索增加了對撓性附件在拉繩方向的單向約束；②拉繩上的力對撓性附件起到消除間隙增加剛度的作用。仿真模型主要是針對第①方面對系統(tǒng)模態(tài)的影響,來驗證拉索剛度和作用點位置等要素對頻率的改變量。

5 微振動主動控制

主動控制技術(shù)或稱為有源控制,是振動理論與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合而形成的振動工程領(lǐng)域中的一個新分支。該技術(shù)的發(fā)展主要依賴于微電子、自動控制理論、信號處理和計算機等技術(shù)。主動控制由于引入了閉環(huán)機制,可對寬頻率區(qū)間的各種振動進行有效控制。近年來,主動控制技術(shù)日趨成熟,其研究對象已經(jīng)從單自由度系統(tǒng)發(fā)展到多自由度系統(tǒng)；由簡單線性系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜非線性系統(tǒng)；控制系統(tǒng)從單輸入單輸出(SISO)發(fā)展到多輸入多輸出(MIMO)；振動方向也由單方向振動發(fā)展到多方向耦合振動。

由于引入了反饋系統(tǒng),主動控制的精度更高,因此在高分辨率衛(wèi)星中也得到廣泛應(yīng)用。由于空間六自由度的需求,將Stewart平臺[22]式的主動控制應(yīng)用于高精度敏感載荷的振動隔離。Stewart的基本構(gòu)型如圖18所示。

圖18 Stewart平臺模型Fig.18 Model of stewart platform

由于作動器選擇對超靜平臺的性能起到至關(guān)重要的作用,因此從作動器的角度對國內(nèi)外超靜Hexapod平臺進行分類。

5.1 智能材料作動器

智能材料多采用壓電陶瓷或磁致伸縮材料作動器。智能材料作動器的定位精度高、動態(tài)性能好,在振動主動控制方面表現(xiàn)出色,但其作動行程很小(μm量級)。美國CSA公司研制的SUITE平臺和UQP平臺采用壓電作動器主動桿,在軌飛行試驗表明SUITE平臺在x、y、z這3個方向上對35 Hz的擾動控制分別達到26.4、35.4、15.5 dB。比利時布魯塞爾大學(xué)[23]開發(fā)的SSP平臺可用于精密光學(xué)終端指向精確微調(diào)及空間桁架振動控制[24]。美國IAI公司與NASA聯(lián)合研制了采用磁致伸縮材料作動器的振動控制HAVI平臺[25]。此外,美國 Honeywell公司、美國Draper實驗室、美國Harris公司、瑞士電子及微技術(shù)中心等機構(gòu)都研制了相應(yīng)的智能材料作動器超靜平臺[26]。

5.2 電磁作動器

電磁作動器的代表為音圈電機,但音圈電機較高的功耗在一定程度上影響了此類平臺在空間的應(yīng)用。Honeywell公司研制的電磁作動器超靜平臺VISS可對安裝其上的中紅外探測器進行振動控制,并驅(qū)動探測器搜索目標(biāo),2001年進行的在軌試驗顯示其振動控制能力可以達到預(yù)期指標(biāo)。CSA公司研制的PPH和VIS6平臺分別用于實現(xiàn)天基雙焦點中繼鏡振動及指向控制和星載成像設(shè)備冷卻器振動控制。

5.3 復(fù)合作動器

該類結(jié)構(gòu)將兩種不同驅(qū)動原理的作動器組合,構(gòu)成宏/微雙重驅(qū)動復(fù)合作動器,可使超靜平臺兼顧振動隔離/抑制與精確指向調(diào)整。CSA公司研制的超靜平臺——PH1平臺便采用了這種設(shè)計思路。PH1平臺可作為天基天文望遠(yuǎn)鏡的次級鏡支座使用,且已進行了空間飛行試驗。PH1平臺的作動桿由“Picomotor+壓電陶瓷”串聯(lián)形成復(fù)合作動器。其中,大行程作動器Picomotor用于實現(xiàn)平臺較大的運動范圍和較高的定位精度,壓電陶瓷用于控制底部振動。

中國在天基高精度對地觀測超靜平臺方面的研究起步較晚。具有代表性的有北京航空航天大學(xué)研究的兼顧大范圍跟瞄、主動振動控制功能的宏/微雙重驅(qū)動復(fù)合作動Hexapod平臺[27]。其中,宏動部分的大位移作動器是精密滾珠絲桿,可驅(qū)動平臺在3個轉(zhuǎn)動自由度上的運動以實現(xiàn)較大幅度的跟瞄,且具有較高的運動精度；微動部分的小位移由壓電陶瓷完成,可控制平臺在6個自由度上實現(xiàn)微振動的控制,保證跟瞄的穩(wěn)定性,此外還可補償指向誤差。

試驗表明:復(fù)合作動器的宏動部分的行程為50 mm,定位誤差為5.6μm；微動部分的行程為59.32μm,定位誤差為0.68μm；平臺對低頻、高頻正弦擾動下的振動控制效果均可達90%以上,而且當(dāng)負(fù)載面偏轉(zhuǎn)一定角度后,仍可保持同樣的控制效果。

6 其他微振動控制技術(shù)

微振動控制的手段多樣,結(jié)合衛(wèi)星的結(jié)構(gòu),在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,將結(jié)構(gòu)的頻率與振源頻率避開及錯頻設(shè)計,可以有效避免振源和結(jié)構(gòu)的耦合共振,實現(xiàn)對微振動的控制。

此外,對于衛(wèi)星中使用的復(fù)合材料以及蜂窩板材料,可以添加顆粒阻尼,通過結(jié)構(gòu)阻尼的形式實現(xiàn)對微振動的控制,試驗表明,增加顆粒阻尼后,對于振源產(chǎn)生的高頻振動有良好的抑制效果。

7 研究展望

隨著高分辨率衛(wèi)星的發(fā)展,微振動控制方法的研究也會隨之進一步深入,對于衛(wèi)星的微振動控制,需要關(guān)注以下幾個方面的問題:

1)在關(guān)注由于衛(wèi)星內(nèi)部振源引起的微振動控制的同時,應(yīng)該充分考慮到由衛(wèi)星外部作用產(chǎn)生的微振動控制,如大面陣衛(wèi)星所面對的熱振動控制研究。

2)衛(wèi)星微振動的控制最終要實現(xiàn)極高的穩(wěn)定度和指向精度。因此,在主動控制中,要對其控制策略進行進一步研究,在考慮微振動控制的同時,將精密指向的控制策略結(jié)合進來,實現(xiàn)將平臺微振動“隔離”后的載荷高精度指向能力。

3)目前國內(nèi)的微振動研究,將整星的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)與微振動隔離開來,未來應(yīng)充分考慮這兩個方面的相互影響和聯(lián)系,開展協(xié)同控制研究。

4)衛(wèi)星微振動的影響最終表現(xiàn)為對觀測圖像的影響,未來應(yīng)該充分研究微振動與成像之間的聯(lián)系,在開展在軌微振動測量的基礎(chǔ)上加強地面圖像的修復(fù)方法研究,提升圖像修復(fù)能力,從而實現(xiàn)對微振動的控制。

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