空間有效載荷上行減振箱設計與試驗驗證

駱海濤1,2 ,王浩楠3 ,王 鵬3 ,劉廣明1,2 ,于長帥1,2

(1. 中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室,沈陽 110016;

2. 中國科學院機器人與智能制造創新研究院,沈陽 110016;

3. 東北大學 機械工程學院,沈陽 110819)

        摘  要:空間站科學實驗用的微操作注射系統由于精度高,在承受火箭發射階段的復雜振動后,其自身的幾何形變和結構強度將受到重要影響, 嚴重會造成生命科學實驗任務的發射失敗。通過設計一種減振箱,將實驗儀器放置于減振箱中一同發射,進入太空軌道后再將其取出,可以很好地避免火箭上行階段嚴酷的振動環境。減振箱的設計根據載荷模塊的不同,采用了多種減振方案來緩沖內部科學實驗模塊所受到外界的振動激勵,并采用64通道B&k數據采集系統來進行振動試驗驗證。結果表明:外部硬海綿固定并結合內部軟海綿包裹科學實驗儀器的方案結構簡單、易于實現,可以實現高頻振動大幅度衰減, 不與其他載荷結構產生耦合共振的目的,能有效降低航天載荷的振動水平,對其他類似減振結構和精密儀器的減振設計具有重要的參考和借鑒意義。

        關鍵詞:減振箱;海綿; 空間有效載荷;耦合共振

        中圖分類號:TB535+.1 ; V216.2+1        文獻標識碼:A

        在空間生命探索研究中,當前國內外主要是通過對某些細菌和細胞的培養來開展細胞生存的研究,但是利用微注射手段介入細胞和胚胎后期發育過程未見詳細報道[1] 。而在地面注射后進入太空,會受到發射過程等因素的影響。如果在太空環境中微注射實驗得以開展,就可以排除發射過程等其他影響因素的干擾,并能夠進行

地面操作和太空微重力環境下注射后發育過程的對照實驗。對微注射系統試驗儀器進行減振保護,對于探索微重力環境中的細胞生存和生命發育具有重要意義。

        微注射系統試驗所需要的精密儀器放置在空間科學實驗柜中,需要通過運載火箭發射到空間站預定軌道。運載火箭在發射過程中所經歷的振動環境主要分為正弦振動和隨機振動。正弦振動主要是由發動機啟動、熄火和級間分離所引起的彈體結構低階模態自由振蕩, 發動機不完全燃燒引起的低階縱向振蕩。隨機振動主要是由起飛時的發動機排氣噪聲、跨音速飛行段的氣動噪聲和 發動機燃燒室內的壓力脈動等所引起的寬帶隨機振動[2.3]。這種復雜的振動環境會造成顯微注射試驗中的元器件性能精度下降, 甚至發生功能失效,例如微操作器、細胞吸持裝置等。因此,對試驗所需要的儀器進行振動抑制研究至關重要。

        本文根據工程實際需要,設計減振箱并加工模擬件進行減振效果驗證。設計了多種減振方案對試驗儀器進行保護,并對減振方案進行對比, 最終得到一組減振效 果最佳的方案。該方案能對試驗儀器有效的進行減振, 且基頻能避開實驗柜安裝減振箱處的共振頻率,有效保護了試驗儀器。該減振箱設計及其測試方法能給相關領域提供借鑒,對于空間科學載荷發射段的減振防護起到關鍵性的作用。

1 減振基本理論

        將減振箱及內部減振材料和試驗儀器簡化為單自由度系統模型, 如圖1所示。

圖 1  單自由度系統模型

        圖中y為基礎振動位移, x為基礎位移經過隔振系統衰減后傳遞到雷達系統的位移。由于該模型屬于基礎振動向設備的傳遞,彈簧的變形量與兩端的相對位移有關 ,其變形量可以表示為y-x , 因此在某一時刻其恢復力為k(y - x ) , 阻尼器的阻尼力大小與兩端的相對速度成正比,可以表示為。

        根據牛頓第二定律,得到單自由度系統的振動微分方程如下:

  （1）

現將基礎振動情況假設如下:

   （2）

將式(2)帶入式(1)并展開到方程兩邊:

   （3）

將式(3)改寫為無量綱形式[4] :

   （4） 

式(4)中,未標明的符號表達式如下:

（5） （6）

        式中η稱為振幅放大因子。如圖2所示,以頻率比λ為橫坐標, 放大因子η 為縱坐標, 畫出不同阻尼比情況下的幅頻響應曲線。

圖 2  幅頻響應曲線

        從圖2中可以看出, 不論阻尼大小,只有當頻率比λ>√2時, 才有減振效果。

2 整體減振方案設計

2. 1 研究對象及設計要求

        研究對象為空間站中微操作系統需求的儀器,例如吸附機構、物鏡、宏操作器、相機、微操作器和UV組件等儀器, 如圖3所示。由于上述儀器多為輕巧且結構復雜的精密件,初步設計將上述儀器統一歸置在減振箱中, 目的在于對火箭發射過程中的外源振動進行抑制,  保護精密儀器的精度及防止儀器失效,在試驗準備開始時, 再將儀器取出, 保證微注射實驗的可靠進行。

        相對于其他減振設計,該減振箱減振設計還需滿足以下要求[5,6] :

        (1)在火箭發射過程, 減振箱安裝在實驗柜內部安裝平臺上,而在整柜的模態分析中測得該平臺的局部共振頻率為45Hz , 所以要求設計的減振器使該減振箱的一 階頻率應遠離該共振頻率。

        (2)多向減振,該減振設計需要在3個平動方向上 都具備降低振動激勵的效果。

        (3)滿足空間環境設計要求, 由于安裝空間及環境設計要求, 減振設計需滿足結構簡單及空氣潔凈度、真空環境等使用要求。

圖 3  受試試驗儀器模擬載荷

2. 2 減振設計方案

        在減振箱內部配置試驗儀器,為了充分保護儀器設 備, 抑制外源載荷影響,本文采用全包裹的方式進行減振方案的設計,并設計多種方案分別進行試驗,驗證減振效果, 減振方案如下表1所示。

表 1 減振方案設計

減振箱內部減振方案材料布置, 如圖4所示。

a)方案 1                    b)方案 2

c)方案 3                     d)方案 4

e)方案 5                      f)方案 6 

圖 4  減振方案布置圖

3 減振箱振動試驗

        試驗系統包括:激振系統、測試系統、數據采集系統和數據處理系統[7]。試驗裝置包括振動臺、控制儀、功率放大器 、64通道B&K3660-D數據采集儀、B&K4508-B加速度傳感器和電腦等。振動試驗原理如圖5所示, 由電腦輸入振動條件傳給振動控制儀,控制儀輸出振動控制信號經功率放大器放大后控制振動臺,電磁振動臺沿X、Y、Z三個平動方向激勵減振箱, 響應點A、B的加速度響應信號經過濾波和放大采集到電腦,得到各測點加速度響應曲線, 比較各減振方案的減振效果 [8]。

圖 5  振動試驗原理圖

        由于隨機振動激勵條件較小,通過對不同方案進行正弦掃頻試驗,對比分析各方案的減振效果。減振箱振動試驗過程照片, 如圖5所示。

圖 6  現場振動試驗圖片

        分別對上述減振方案進行振動試驗,加速度傳感器 響應點貼于試驗對象光滑表面,控制點貼在工裝與被試產品接口上。振動臺輸入條件采用實驗柜與減振箱安裝 平臺界面的已知激勵條件,考慮安裝界面的垂直方向激勵載荷遠大于水平方向激勵, 減振箱的控制輸入條件, 如表2所示[9,10]。

                 表 2  正弦振動試驗條件

4 試驗結果分析

        試驗過程中,試驗對象的加速度信號通過采集儀發送到電腦,得出各減振方案內部載荷模塊粘貼測點的加速度幅頻曲線, 如圖 7 所示。

圖 7  方案控制及響應曲線 

        通過讀取各曲線數據,得到各方案的一階共振頻率及放大因子,如表3所示。

        通過比對各方案的試驗曲線,可以得出方案1、方案2、方案3和方案6的減振效果較差,其共振頻率處響應對輸入條件分別放大2.93 倍、3.02倍、3.25倍、3.23倍,而方案2和方案3在敏感頻率范圍即在平臺的局部共振頻率45Hz左右產生共振,加速度響應分別為22.7g和24.4g,在實際的外源振動下,這會造成減振箱內儀器振動劇烈, 甚至發生損壞。而方案4和方案5的一階共振頻率處的加速度響應最大,分別為12.31g和4.85g ,  僅放大1.64 和1.29 倍,并且在45Hz 處無共振現象,可以得出方案5效果最佳。

             表 3  各方案加速度響應情況

5 結語

        本文對空間站科學實驗所用的精密科學試驗儀器進行減振設計,設計了多種減振方案。根據實際的工況條件,對設計的多種減振方案進行了振動試驗分析,采用不同硬度的海綿周邊固定, 內部用軟海綿直接包裹被試

對象的減振方案能有效保護空間科學試驗儀器, 減振效果明顯且減振方案可實施性強,能保證科學實驗儀器的精度要求及在火箭發射過程中的抗力學性能及可靠性。 通過振動試驗數據分析,得到海綿材料在航天應用中不

僅對精密儀器的有效保護, 還能有效減緩火箭發射的振動壞境, 并且對其減振效果有了更加直觀和準確的評價, 對類似減振結構和精密儀器的減振設計具有重要的借鑒和指導意義。

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