徐波濤，劉玉剛，方志開，呂景輝，喻新發(fā)

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

運(yùn)輸是航天器壽命全周期的重要組成部分。當(dāng)運(yùn)輸全頻段中存在的穩(wěn)態(tài)激勵(lì)與衛(wèi)星-包裝箱的某一階固有頻率相等時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，共振會(huì)損壞衛(wèi)星上的振動(dòng)敏感部件[1]。航天器運(yùn)輸經(jīng)歷的是連續(xù)力學(xué)載荷，這種載荷的特點(diǎn)是以隨機(jī)振動(dòng)為主（激勵(lì)頻率范圍約為5~200 Hz），兼有周期性載荷。另外，個(gè)別的沖擊超限載荷也不可避免[2]。參照衛(wèi)星設(shè)計(jì)的力學(xué)環(huán)境條件，衛(wèi)星界面處的振動(dòng)激勵(lì)一般要求不大于0.6g，沖擊激勵(lì)不大于1.0g，在實(shí)際公路運(yùn)輸中，振動(dòng)要求一般都可滿足，但往往會(huì)記錄若干次超過1.0g的沖擊事件。

運(yùn)載火箭發(fā)射飛行過程所產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)環(huán)境是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，而在衛(wèi)星地面運(yùn)輸過程中受到振動(dòng)載荷是衛(wèi)星設(shè)計(jì)中容易被忽略的環(huán)節(jié)。為了避免運(yùn)輸載荷超限損傷航天器加速度敏感設(shè)備或元件，航天器運(yùn)輸時(shí)一般在包裝箱內(nèi)設(shè)置了減振裝置。衛(wèi)星包裝箱系統(tǒng)因其可靠性、尺寸等方面的約束，一般采用固定基頻的減振系統(tǒng)[3-4]。

隨著型號(hào)數(shù)量的增長(zhǎng)與型譜類型的增加，衛(wèi)星包裝箱種類和數(shù)量不可能無(wú)限制地同比例增加。考慮降低成本，面向衛(wèi)星產(chǎn)品型譜的通用式包裝箱設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。如何確定和選用一種適應(yīng)于不同振動(dòng)激勵(lì)特性的減振方案，成為航天器運(yùn)輸減振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)[5-6]。文中針對(duì)這一問題，分析了目標(biāo)產(chǎn)品的尺寸接口和質(zhì)量特性，對(duì)衛(wèi)星不同艙段運(yùn)輸工況進(jìn)行了振動(dòng)特性分析和試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種適用于3種衛(wèi)星艙體、4種運(yùn)輸狀態(tài)通用的包裝箱減振分系統(tǒng)，并對(duì)裝載尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，新型減振系統(tǒng)滿足航天產(chǎn)品的運(yùn)輸設(shè)計(jì)要求。

1 承載接口設(shè)計(jì)

包裝箱針對(duì)三類不同衛(wèi)星的單個(gè)艙體進(jìn)行設(shè)計(jì)，三類艙體運(yùn)輸?shù)墓餐攸c(diǎn)是均裝有保持架，保持架的作用是保持艙體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和精度。保持架結(jié)構(gòu)底部框架均為兩排通孔，與包裝箱承載面間使用緊固件連接，三類艙體保持架兩排孔的尺寸均不相同。為了MEOIGSOGEO三類衛(wèi)星保持架運(yùn)輸支撐接口在同一個(gè)適配器的兼容布置，需要精確設(shè)計(jì)適配器尺寸。為確保和拓展批產(chǎn)載荷艙包裝箱的通用性，要求包裝箱內(nèi)的運(yùn)載物承載適配器上必須配置通用化支撐接口，適應(yīng)各類衛(wèi)星運(yùn)載物的力學(xué)約束條件，同時(shí)滿足上述三類保持架運(yùn)輸支撐接口匹配要求，而且對(duì)于尺寸比較小的MEO艙體，任務(wù)要求既允許單個(gè)運(yùn)輸，又要能夠兩個(gè)一起運(yùn)輸。

在以上條件的基礎(chǔ)上，適配器還應(yīng)滿足以下約束：

1）尺寸不能超過運(yùn)輸限制；

2）便于裝配、拆卸操作；

3）適配器整體剛度大于運(yùn)載物低階模態(tài)剛度。

另外，在減振裝載臺(tái)面尺寸較大的情況下，為使振動(dòng)傳感器準(zhǔn)確表征系統(tǒng)整體減振后的加速度，傳感器應(yīng)布置于局部剛度較優(yōu)的位置。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式如圖1所示。

圖1 兼容式運(yùn)輸支撐接口Fig.1 Compatible transportation support interface

2 裝載臺(tái)靜力分析

各類運(yùn)輸載荷外形基本參數(shù)見表1。

約束及載荷施加：固定約束在裝載臺(tái)下方六個(gè)區(qū)域，并在黑色區(qū)域內(nèi)均勻加載合力1.6 t，如圖2所示。

當(dāng)約束在裝載臺(tái)六個(gè)區(qū)域時(shí)，1.6 t載荷加上裝載臺(tái)自身重力作用，分析結(jié)果如圖3、圖4所示。其中，圖3為變形云圖，最大變形量為0.12 mm，小于5 mm。圖4為等效應(yīng)力云圖，在上下臺(tái)架部位最大應(yīng)力為92.2 MPa，裝載臺(tái)所用鋼材料σb= 5 20 MPa，裝載臺(tái)靜力安全系數(shù)達(dá)到5.6。

表1 各類運(yùn)輸載荷外形基本參數(shù)對(duì)照表Tab.1 Comparison of basic parameters of various transported loads

圖2 裝載臺(tái)力學(xué)分析約束及載荷示意Fig.2 Mechanical analysis constraint and load indication of loading platform

圖3 變形分析云圖Fig.3 Chart of deformation distribution

圖4 Von Mises等效應(yīng)力分布云圖Fig.4 Chart of von mises stress distribution

3 減振方案設(shè)計(jì)

為了減小運(yùn)輸過程振動(dòng)沖擊對(duì)產(chǎn)品造成的影響，包裝箱減振器的選擇應(yīng)避免接近產(chǎn)品的一階基頻，從而保證經(jīng)減振后，傳遞到產(chǎn)品的振動(dòng)和沖擊加速度滿足既定要求。

在繼承成熟減振方案的前提下，同時(shí)應(yīng)考慮節(jié)省包裝箱內(nèi)空間，因此選用包裝箱內(nèi)部減振的方式。根據(jù)裝載產(chǎn)品的不同配置，靈活調(diào)整減振模塊數(shù)量。

航天產(chǎn)品公路運(yùn)輸?shù)木礁铀俣戎担╣rms）為0~0.2，小于產(chǎn)品要求的損傷閾值。要評(píng)估運(yùn)輸振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的影響，重點(diǎn)在運(yùn)輸中偶發(fā)的力學(xué)事件上，例如過鐵路道口、減速帶、減速提示標(biāo)線等造成的輸入[7]。從實(shí)地運(yùn)輸試驗(yàn)調(diào)查的沖擊超限數(shù)據(jù)可以看出，沖擊超限點(diǎn)全部發(fā)生在豎直方向（即Z向），數(shù)據(jù)見表2。因此，運(yùn)輸減振方案優(yōu)先考慮豎直方向的減振[8]。圖5為航天器運(yùn)輸包裝箱的方向示意，圖6為本文選用的鋼絲繩隔振器結(jié)構(gòu)形式。

表2 實(shí)測(cè)沖擊超限數(shù)據(jù)（Shocklog RD298）Tab.2 Measured impact data (Shocklog RD298)

圖5 航天器運(yùn)輸包裝箱的方向示意Fig.5 Direction diagram of spacecraft transportation container

鋼絲繩隔振器垂向一階基頻fnz按照式（1）計(jì)算：

式中：kz：承載M下的靜剛度，N/mm

α：動(dòng)剛度系數(shù)（平均動(dòng)剛度系數(shù)α=1.5）

M：每組裝置承載質(zhì)量，kg

由式（1）可知，在未達(dá)到最大變形量的前提下，增大M可以降低減振系統(tǒng)的一階基頻。因此，隔振器的實(shí)際使用負(fù)載一般大于標(biāo)稱負(fù)載。環(huán)狀鋼絲繩隔振器剛度與阻尼均非線性[9]，應(yīng)引入動(dòng)剛度系數(shù)修正靜剛度，得到工作狀態(tài)的動(dòng)剛度進(jìn)行一階基頻計(jì)算，如果直接使用平均靜剛度將導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確[10]。

圖4給出的運(yùn)輸支撐接口材料為高強(qiáng)度鋼材，質(zhì)量按720 kg計(jì)。減振器在裝載臺(tái)平面下布置，按圖4構(gòu)型應(yīng)該對(duì)稱布置，考慮到每個(gè)運(yùn)輸狀態(tài)的每個(gè)艙體的減振效果應(yīng)接近，由此提出兩個(gè)備選方案，18個(gè)GGT220-108或20個(gè)GGT250-137。按最大包絡(luò)計(jì)算，總質(zhì)量m=2220 kg?？紤]工作狀態(tài)時(shí)兩種隔振器的靜剛度，不考慮適配器彈性，又由M=m/n（其中，n為隔振器個(gè)數(shù)），可以分別得到兩種方案一階頻，見表3。

表3 備選隔振器型號(hào)參數(shù)Tab.3 Model parameters of alternative vibration isolators

又有系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率：

式中：λ為振動(dòng)頻率比，λ=fi/fn；

fi為路面干擾頻率，fi=ω/(2π)；

fn為隔振系統(tǒng)固有頻率；

ζ為系統(tǒng)平均阻尼比，在 0.1到 0.2之間，取ζ=0.15；

T為振動(dòng)傳遞率。

從降低一階縱向頻率的角度[4]，選用方案2的減振適用性優(yōu)于方案1。在方案2下，當(dāng)λ≥1.4時(shí)（即輸入激勵(lì)大于8.2 Hz），進(jìn)入減振區(qū)域；當(dāng)λ≥3時(shí)，即輸入激勵(lì)頻率不低于17.4 Hz時(shí)，系統(tǒng)隔振效果在80%以上，系統(tǒng)振動(dòng)隔離設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。在λ≤1.4時(shí)，即輸入激勵(lì)小于8.2 Hz時(shí)，路面激勵(lì)會(huì)被隔振器放大，此時(shí)應(yīng)將運(yùn)輸傳感器測(cè)得的峰值數(shù)據(jù)對(duì)比衛(wèi)星隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的幅值控制條件，判斷是否可能損傷衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

裝載臺(tái)在最大包絡(luò)下的減振布置方案確定為：裝載臺(tái)通過20個(gè)鋼絲繩減振器與包裝箱連接，并裝有兩個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度傳感器，一個(gè)ShockLog298振動(dòng)與沖擊記錄儀，監(jiān)測(cè)產(chǎn)品運(yùn)輸全程的振動(dòng)狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 包絡(luò)減振布置方案Fig.7 Envelope damping arrangement

參考靜力分析一節(jié)中對(duì)系統(tǒng)施加的載荷和約束，對(duì)裝載臺(tái)上臺(tái)面進(jìn)行振動(dòng)傳遞率分析，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率在路面激勵(lì)頻率在15 Hz左右時(shí)，系統(tǒng)隔振性能已達(dá)80%以上。其中，響應(yīng)數(shù)據(jù)采用的是圖4中振動(dòng)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)。利用有限元仿真分析表明，減振系統(tǒng)豎直方向的一階頻在5 Hz左右，比表3中的計(jì)算結(jié)果（5.8）稍小，這主要是由于裝載臺(tái)的臺(tái)面尺寸較大，剛度受到了削弱，在特定激勵(lì)下，裝載臺(tái)面下的等效隔振器數(shù)量減少，從而使單個(gè)隔振器等效承載增加造成的。

根據(jù)以上計(jì)算，在最大當(dāng)量減振載荷滿足上述減振指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，考慮任務(wù)需求，按單IGSO裝載、兩MEO裝載、單GEO以及單MEO裝載四種典型裝載模式快速便捷地設(shè)置調(diào)整隔振器布局，可以通過增減隔振器的數(shù)量來(lái)滿足不同載荷下的減振要求。

對(duì)于雙MEO和IGSO，可以共用20個(gè)隔振器的方案，減少隔振器的重復(fù)拆卸工作；用于GEO單艙運(yùn)輸時(shí)，需要拆除內(nèi)側(cè)框架8處隔振器，采用12個(gè)隔振器安裝于外導(dǎo)軌下的方案；用于MEO單艙運(yùn)輸時(shí)，需要拆除框架長(zhǎng)度方向最外側(cè)8處隔振器，采用12個(gè)隔振器安裝于內(nèi)導(dǎo)軌下方案。在常規(guī)任務(wù)中，MEO單艙運(yùn)輸并不常見，所以20個(gè)隔振器方案的通用性得到了保證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

ShockLog298沖擊記錄儀采樣率為1000 Hz，記錄運(yùn)輸過程中箱體內(nèi)的力學(xué)環(huán)境參數(shù)。待運(yùn)輸結(jié)束后，把沖擊記錄儀中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，對(duì)采集的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析，以超過1g為限值，經(jīng)包裝箱系統(tǒng)減振前，3次超出振動(dòng)限值；經(jīng)包裝箱系統(tǒng)減振后，1次超出振動(dòng)限值。這說明減振系統(tǒng)工作有效，其中，減振后的超限點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)減振前波形如圖8所示。

圖8 典型超限點(diǎn)時(shí)域信號(hào)圖（8 s）Fig.8 Time domain signal diagram of typical overrun point(8 s): a) before damping; b) after damping

根據(jù)振動(dòng)超限瞬態(tài)信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)運(yùn)輸超限點(diǎn)進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜變換，得到結(jié)論：經(jīng)沖擊響應(yīng)譜分析，100 Hz以下時(shí)，其等效正弦振動(dòng)量級(jí)不大于0.3585g，小于整星試驗(yàn)量級(jí)0.6g；100 Hz以上時(shí)，其等效正弦振動(dòng)量級(jí)小于 4g，小于星箭分離試驗(yàn)中的沖擊響應(yīng)，該振動(dòng)信號(hào)對(duì)整星無(wú)影響。

5 結(jié)論

根據(jù)航天器運(yùn)輸環(huán)境特點(diǎn)，分析了目標(biāo)產(chǎn)品的尺寸接口和質(zhì)量特性，確定和選用了一種適應(yīng)于不同載荷特性的減振方案。實(shí)現(xiàn)了一種適用于3種衛(wèi)星艙體、4種運(yùn)輸狀態(tài)通用的包裝箱減振分系統(tǒng)，系統(tǒng)垂向頻率不高于5.8 Hz。運(yùn)輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明新型減振系統(tǒng)對(duì)航天產(chǎn)品的減振效果滿足設(shè)計(jì)要求。

提出的減振系統(tǒng)可對(duì) 8.2 Hz以上的輸入頻率實(shí)現(xiàn)有效隔振，對(duì)于更低頻的振動(dòng)信號(hào)，有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究，通過運(yùn)輸載具濾波、車速控制等途徑實(shí)現(xiàn)減振。