羅敏 楊文濤 吳瓊 羅文波

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094) (2 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

高分多模衛(wèi)星是中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺首發(fā)星，也是我國首顆民用分辨率達到亞米級、同時具有多種敏捷成像模式的光學遙感衛(wèi)星。為了實現(xiàn)高機動敏捷成像、高分辨率綜合成像，星上配置了控制力矩陀螺群[1](Control Moment Gyroscopes, CMGs)用于實現(xiàn)衛(wèi)星在軌姿態(tài)控制和敏捷機動能力。然而，由于轉(zhuǎn)子靜態(tài)和動態(tài)不平衡以及安裝誤差，CMGs在軌運行時，不可避免地對航天器上的有效載荷造成微振動干擾[2]。導致有效載荷或其他敏感設(shè)備的擾動，從而降低成像質(zhì)量[3-4]。因此，為了保證有效載荷分辨率達到亞米級，必須減少傳播到衛(wèi)星中的CMGs引起的微振動。國外同類型和同量級分辨率光學遙感衛(wèi)星，如美國的世界觀測一號(Worldview I)、世界觀測二號(Worldview II)[5]和法國的昴宿星(Pleiades-HR)[6]等衛(wèi)星，均使用隔振系統(tǒng)來隔離CMGs引起的干擾。

CMGs用大型隔振系統(tǒng)不僅需要隔離干擾，還用于將CMGs組件連接到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。因此，隔振系統(tǒng)不僅要滿足微振動隔離的要求，還要確保CMGs在發(fā)射過程中的安全可靠。衛(wèi)星發(fā)射環(huán)境由準靜態(tài)和低頻動態(tài)載荷組成，如過載加速度，發(fā)動機振動，噪聲，發(fā)動機啟停[7]。過高的發(fā)射段載荷可能對控制力矩陀螺(CMG)造成永久性損害。因此用于在CMG和航天器結(jié)構(gòu)之間連接的振動隔離系統(tǒng)，應(yīng)具有將輸入到CMG的發(fā)射載荷限制在CMG最大允許過載之下的能力。

然而，對于CMGs用大型隔振系統(tǒng)設(shè)計而言，在軌隔離微振動時要求隔振系統(tǒng)采用低固有頻率、低阻尼設(shè)計，以提高隔離頻域的微振動衰減率；而發(fā)射段承載時要求隔振系統(tǒng)采用高固有頻率、高阻尼設(shè)計，以減小CMG在發(fā)射段的過載。為了同時滿足這些相互矛盾的設(shè)計要求，一般需要在隔振系統(tǒng)中增加一個鎖定-釋放機構(gòu)，通常采用火工品、電機等作為鎖定釋放動作的致動器。該機構(gòu)在發(fā)射時鎖定，以增加連接剛度從而提高隔振系統(tǒng)的固有頻率，在入軌后解鎖釋放，起到降低連接剛度從而降低隔振系統(tǒng)的固有頻率的作用。國外同類隔振系統(tǒng)如隔離和抑制系統(tǒng)(VISS)[8]，微型隔振系統(tǒng)(MVIS-II)[9]均采用了這種發(fā)射鎖機構(gòu)。然而，這種鎖定-釋放機構(gòu)重量大且復雜，一旦解鎖后在軌時就沒有任何使用價值。此外，致動器的解鎖沖擊也會增加CMG內(nèi)部損壞的風險。

為了解決上述問題，高分多模衛(wèi)星首次采用了一種稱為“并聯(lián)隔振裝置”的大型整體隔振裝置，這種裝置采用了特殊設(shè)計的對輸入負載高度敏感的“微動隔振器”，實現(xiàn)了發(fā)射段輸出高阻尼以保護CMG安全，在軌后提供低阻尼用于隔離CMG微振動干擾。與現(xiàn)有隔離系統(tǒng)相比，并聯(lián)隔振裝置具有高承載、高隔振效率，簡單可靠的優(yōu)點。本文對并聯(lián)隔振裝置的設(shè)計方案、技術(shù)特點、特殊工藝、地面試驗和在軌驗證情況進行了介紹。

1 并聯(lián)隔振裝置系統(tǒng)設(shè)計

1.1 并聯(lián)隔振裝置系統(tǒng)布局與組成

傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星平臺，CMG一般分散布置在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)艙體周邊，要對CMG采取隔振措施，就需要對每臺CMG都配置單獨的隔振裝置。同時，單個CMG分別隔振的方式，存在多個CMG擾振頻率相互耦合，以及CMG擾振頻率和結(jié)構(gòu)頻率耦合，導致隔振效率下降等問題。為了解決上述問題，高分多模衛(wèi)星采用集群布局的方式將多臺CMG組裝在一起，如圖1所示。

圖1 高分多模衛(wèi)星CMGs隔振方案Fig.1 PMIS for CMGs of GFDM-1 satellite

由圖1可知，衛(wèi)星平臺部分由設(shè)備艙、推進模塊、驅(qū)動控制模塊、服務(wù)艙和太陽翼等組成，其中，驅(qū)動控制模塊由多臺CMG組成。多個CMG組合安裝在CMG支架上，CMG支架四角分別通過2根隔振桿與衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)相連，每根隔振桿都安裝了一臺微動隔振器，在軸向提供非線性阻尼和特定剛度。8根隔振桿組成的隔振系統(tǒng)稱為“并聯(lián)隔振裝置”，利用內(nèi)置微動隔振器的剛度和阻尼，以及8根隔振桿的構(gòu)型角度，可以優(yōu)化配置整星結(jié)構(gòu)的動力學特性，從而在特定的頻率上實現(xiàn)對CMG微振動擾動的隔離。這種集群布置CMG，利用并聯(lián)隔振裝置實現(xiàn)整體隔振的系統(tǒng)布局方式，將所有CMG放在一起并與衛(wèi)星平臺隔離開來，與對每個CMG獨立隔振相比，需要更少的隔振器就能實現(xiàn)六自由度方向的隔振，可以減少隔振系統(tǒng)的空間和質(zhì)量，另外也避免了CMG之間擾振頻率相互耦合的問題。

1.2 并聯(lián)隔振裝置動力學特性分析

為了優(yōu)化配置整星結(jié)構(gòu)的動力學特性，在特定的頻率上實現(xiàn)對CMG微振動擾動的隔離，并聯(lián)隔振裝置設(shè)計過程開展了布局設(shè)計-構(gòu)型優(yōu)化-系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等工作，基于大量的動力學分析和優(yōu)化迭代確定了拓撲構(gòu)型和設(shè)計參數(shù)。

(1)在初步設(shè)計階段，通過建立CMG模塊和并聯(lián)隔振裝置如圖2(a)所示的簡化動力學模型，開展初步動力學仿真分析，給出并聯(lián)隔振裝置的動力學響應(yīng)特性(模態(tài)分析結(jié)果及給定輸入條件下的時域、頻域內(nèi)的響應(yīng)結(jié)果)，分析驗證了并聯(lián)隔振裝置的隔振特性，確定了主要構(gòu)型參數(shù)和系統(tǒng)評估流程。

(2)在構(gòu)型優(yōu)化階段，通過建立參數(shù)化并聯(lián)隔振系統(tǒng)模型，如圖2(b)所示，對各設(shè)計變量進行敏感度研究分析。將輸入結(jié)構(gòu)各軸向合成加速度幅值最小作為目標函數(shù)，將高敏感度參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的自變量，確定隔振桿的拓撲布局和構(gòu)型尺寸。

(3)在詳細設(shè)計階段，結(jié)合產(chǎn)品詳細設(shè)計和實際制造情況，建立精細有限元模型，對并聯(lián)隔振裝置模態(tài)特性、發(fā)射段響應(yīng)、承載能力、隔振性能等各方面性能進行校核分析和計算，如圖2(c)所示。

圖2 并聯(lián)隔振裝置在不同階段建立的分析模型Fig.2 PMIS analysis model in different periods

由于并聯(lián)隔振系統(tǒng)和CMGs組成的驅(qū)動控制模塊已經(jīng)參與了整星結(jié)構(gòu)的承載，并對整星結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的動力學特性影響，因此在并聯(lián)隔振裝置設(shè)計分析中除了開展系統(tǒng)自身動力學分析之外，還在設(shè)計過程中開展了整星結(jié)構(gòu)一體化分析。如圖3所示，在整星模型中引入并聯(lián)隔振系統(tǒng)模型，計算了在整星結(jié)構(gòu)中的發(fā)射段和在軌的動力學響應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計分析方法，保證了并聯(lián)隔振裝置邊界條件的真實性，確保了CMG擾振頻率不會和整星結(jié)構(gòu)耦合導致隔振效果下降。

圖3 并聯(lián)隔振裝置基于整星一體化分析和隔振效果預(yù)估Fig.3 PMIS analysis based on satellite model and prediction of isolation

2 并聯(lián)隔振裝置技術(shù)特點

并聯(lián)隔振裝置是一種全新的整體隔振裝置，實物照片如圖4所示。在8根隔振桿內(nèi)安裝的微動隔振器，是實現(xiàn)并聯(lián)隔振裝置發(fā)射承載和在軌微振動隔振功能的主要單機。其主要技術(shù)特點如下。

圖4 并聯(lián)隔振裝置產(chǎn)品Fig.4 Pictures of PMIS

(1)微動隔振器具有很強的非線性阻尼效應(yīng)。在不同量級載荷輸入下，微動隔振器輸出阻尼隨頻率變化曲線如圖5所示。在發(fā)射段高量級載荷條件下(隔振桿上受到1000 N以上的發(fā)射段振動載荷)隔振器輸出阻尼大于6.5×106(N·s)/m，高阻尼輸出能夠有效抑制CMGs在發(fā)射段的振動響應(yīng)，保障CMG的安全。CMG在軌工作時，CMG產(chǎn)生的微振動載荷低于100 N，此時隔振器輸出阻尼降低到小于2×106(N·s)/m，低阻尼輸出能夠降低CMG擾振頻率的振動傳遞率，提升隔振效果。因此，這種強非線性效應(yīng)很好地解決了并聯(lián)隔振裝置發(fā)射段高阻尼輸出，在軌時低阻尼輸出，提高隔振效率的需求。

圖5 不同外載荷下阻尼系數(shù)曲線Fig.5 Damping coefficient curves with different loads

(2)微動隔振器對微振動高度敏感：能夠在0～50 μm的微米級振幅下，實現(xiàn)隔振器剛度在106～108N/m范圍內(nèi)可控調(diào)節(jié)，且誤差不超過10%，從而起到精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度和阻尼的作用。另外，作為三參數(shù)隔振器，微動隔振器能夠在中高頻段上提供比常規(guī)隔振器更高的隔振效率，有效提升了并聯(lián)隔振系統(tǒng)的隔振效率。

(3)微動隔振器內(nèi)部無任何活動部件，能夠有效應(yīng)對空間應(yīng)用時高真空、熱交變的空間環(huán)境，具備長期在軌工作的長壽命和高可靠性，并具有高承載能力(軸向大于6000 N)，與美國同類型隔振器[10]相比，微動隔振器各項性能指標相當，在承載能力等部分指標上領(lǐng)先(見表1)。

表1 微動隔振器技術(shù)指標和美國同類產(chǎn)品對標Table 1 Performance indexes contrast between micro-vibration isolator and D-Strut isolator

3 并聯(lián)隔振裝置地面試驗

在并聯(lián)隔振裝置研制過程中，為了驗證隔振裝置剛度阻尼輸出特性、承載能力、隔振能力等各項指標，開展了隔振器性能測試、力學環(huán)境試驗、微振動試驗等多種地面試驗工作。

3.1 隔振器性能試驗

如前所述，并聯(lián)隔振裝置技術(shù)特點要求其內(nèi)置的微動隔振器能夠在微米級微振動載荷輸入下提供穩(wěn)定可控的剛度和阻尼。然而，如何在微米級微振動條件下精確測試隔振器的剛度、阻尼性能具有相當?shù)募夹g(shù)難度，我國之前還沒有開展過類似的隔振器試驗。為此，在高分多模衛(wèi)星研制過程中開展了專項試驗技術(shù)攻關(guān)，通過反復優(yōu)化試驗方案和使用特殊的反饋控制算法，實現(xiàn)了在0～200 Hz范圍內(nèi)，精確測定微米級振幅下隔振器剛度和阻尼隨頻率的性能變化。圖6給出了微動隔振器精密剛度阻尼測試系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)在±5 μm振幅上給定頻率激勵下精確測定出的隔振器阻尼遲滯環(huán)曲線。阻尼遲滯環(huán)曲線長軸斜率表征了隔振器在該激振頻率下的剛度，阻尼遲滯環(huán)曲線包絡(luò)面積表征了隔振器在該激振頻率下的阻尼。利用該系統(tǒng)，可得到隔振器在微米級振幅下隔振器剛度和阻尼隨頻率的性能。

圖6 微動隔振器精密剛度阻尼測試系統(tǒng)和實測±5 μm阻尼遲滯環(huán)Fig.6 Stiffness-damp testing system and the damping loop with ±5μm amplitude of micro-vibration isolator

3.2 并聯(lián)隔振裝置力學環(huán)境試驗

為了確認發(fā)射環(huán)境下并聯(lián)隔振裝置的承載能力以及對CMG發(fā)射時的保護作用，開展了并聯(lián)隔振裝置力學環(huán)境試驗。圖7給出了并聯(lián)隔振裝置和CMGs在振動測試臺進行正弦振動測試的照片和不同量級激勵下CMG安裝點的正弦振動響應(yīng)結(jié)果。振動試驗表明：由于微動隔振器的非線性阻尼效應(yīng)，并聯(lián)隔振裝置在發(fā)射段對CMG的振動放大系數(shù)隨著輸入激勵負載的增加而減小，有效抑制了CMG在發(fā)射段的動力學響應(yīng)，保障了CMG發(fā)射時的安全。

圖7 并聯(lián)隔振裝置正弦振動試驗和響應(yīng)曲線Fig.7 Sinusoidal vibration test and the response curve of PMIS

3.3 并聯(lián)隔振裝置微振動試驗

為了驗證并聯(lián)隔振裝置在軌時對CMG微振動的隔振效果，開展了并聯(lián)隔振裝置地面微振動試驗，該試驗是我國首次對衛(wèi)星大型整體隔振系統(tǒng)進行的微振動性能標定和測試。圖8是微振動地面測試現(xiàn)場。由CMGs、CMG安裝支架和并聯(lián)隔振裝置組成的驅(qū)動控制模塊安裝在空氣懸浮平臺上。利用連接在并聯(lián)隔振裝置和地面支架之間的高精度力傳感器測量CMG的擾動力輸出。通過多種工況的組合測試，全面評估并聯(lián)隔振裝置對CMG群組的隔振能力。試驗結(jié)果表明： 采用并聯(lián)隔振裝置能夠?qū)MG輸出到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的微振動載荷降低90%以上。

圖8 并聯(lián)隔振裝置微振動試驗Fig.8 Miro- vibration test of PMIS

4 并聯(lián)隔振裝置在軌應(yīng)用

2020年7月13日，高分多模衛(wèi)星成功發(fā)射，星上安裝了在軌微振動測量系統(tǒng)，通過對隔振桿兩端加速度數(shù)據(jù)在軌測量，能夠驗證并聯(lián)隔振裝置實際在軌的工作性能。圖9給出了并聯(lián)隔振裝置4組隔振桿，隔振前后在軌實測加速度的統(tǒng)計值，結(jié)果表明：隔振裝置在軌隔振效率超過85%。

圖9 并聯(lián)隔振裝置在軌隔振實測結(jié)果Fig.9 Isolation results based on the flying data

5 結(jié)束語

高分多模衛(wèi)星首次采用了并聯(lián)式大型承載隔振技術(shù)的“并聯(lián)隔振裝置”，對CMGs在軌微振動干擾進行整體隔離。本文給出了并聯(lián)隔振裝置系統(tǒng)組成布局、技術(shù)特點和試驗驗證。在軌應(yīng)用結(jié)果表明：并聯(lián)隔振裝置在軌隔振效率超過85%，是高分多模衛(wèi)星實現(xiàn)民用亞米級分辨率、具備多種敏捷成像模式能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。在并聯(lián)隔振裝置研制過程中，突破了非線性阻尼系統(tǒng)建模設(shè)計、隔振系統(tǒng)整星下拓撲優(yōu)化分析等多項設(shè)計技術(shù)，開發(fā)了具有高承載、長壽命、良好空間環(huán)境適應(yīng)性的“微動隔振器”，掌握了微幅高精度隔振器測試、大型隔振系統(tǒng)地面試驗等試驗方法，有力地促進了我國高精度衛(wèi)星平臺隔振技術(shù)的發(fā)展，為我國后繼高分辨率遙感衛(wèi)星的研制開發(fā)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。