空间有效载荷上行减振箱设计与试验验证

骆海涛1,2 ,王浩楠3 ,王 鹏3 ,刘广明1,2 ,于长帅1,2

(1. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,沈阳 110016;

2. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,沈阳 110016;

3. 东北大学 机械工程学院,沈阳 110819)

        摘  要:空间站科学实验用的微操作注射系统由于精度高,在承受火箭发射阶段的复杂振动后,其自身的几何形变和结构强度将受到重要影响, 严重会造成生命科学实验任务的发射失败。通过设计一种减振箱,将实验仪器放置于减振箱中一同发射,进入太空轨道后再将其取出,可以很好地避免火箭上行阶段严酷的振动环境。减振箱的设计根据载荷模块的不同,采用了多种减振方案来缓冲内部科学实验模块所受到外界的振动激励,并采用64通道B&k数据采集系统来进行振动试验验证。结果表明:外部硬海绵固定并结合内部软海绵包裹科学实验仪器的方案结构简单、易于实现,可以实现高频振动大幅度衰减, 不与其他载荷结构产生耦合共振的目的,能有效降低航天载荷的振动水平,对其他类似减振结构和精密仪器的减振设计具有重要的参考和借鉴意义。

        关键词:减振箱;海绵; 空间有效载荷;耦合共振

        中图分类号:TB535+.1 ; V216.2+1        文献标识码:A

        在空间生命探索研究中,当前国内外主要是通过对某些细菌和细胞的培养来开展细胞生存的研究,但是利用微注射手段介入细胞和胚胎后期发育过程未见详细报道[1] 。而在地面注射后进入太空,会受到发射过程等因素的影响。如果在太空环境中微注射实验得以开展,就可以排除发射过程等其他影响因素的干扰,并能够进行

地面操作和太空微重力环境下注射后发育过程的对照实验。对微注射系统试验仪器进行减振保护,对于探索微重力环境中的细胞生存和生命发育具有重要意义。

        微注射系统试验所需要的精密仪器放置在空间科学实验柜中,需要通过运载火箭发射到空间站预定轨道。运载火箭在发射过程中所经历的振动环境主要分为正弦振动和随机振动。正弦振动主要是由发动机启动、熄火和级间分离所引起的弹体结构低阶模态自由振荡, 发动机不完全燃烧引起的低阶纵向振荡。随机振动主要是由起飞时的发动机排气噪声、跨音速飞行段的气动噪声和 发动机燃烧室内的压力脉动等所引起的宽带随机振动[2.3]。这种复杂的振动环境会造成显微注射试验中的元器件性能精度下降, 甚至发生功能失效,例如微操作器、细胞吸持装置等。因此,对试验所需要的仪器进行振动抑制研究至关重要。

        本文根据工程实际需要,设计减振箱并加工模拟件进行减振效果验证。设计了多种减振方案对试验仪器进行保护,并对减振方案进行对比, 最终得到一组减振效 果最佳的方案。该方案能对试验仪器有效的进行减振, 且基频能避开实验柜安装减振箱处的共振频率,有效保护了试验仪器。该减振箱设计及其测试方法能给相关领域提供借鉴,对于空间科学载荷发射段的减振防护起到关键性的作用。

1 减振基本理论

        将减振箱及内部减振材料和试验仪器简化为单自由度系统模型, 如图1所示。

图 1  单自由度系统模型

        图中y为基础振动位移, x为基础位移经过隔振系统衰减后传递到雷达系统的位移。由于该模型属于基础振动向设备的传递,弹簧的变形量与两端的相对位移有关 ,其变形量可以表示为y-x , 因此在某一时刻其恢复力为k(y - x ) , 阻尼器的阻尼力大小与两端的相对速度成正比,可以表示为。

        根据牛顿第二定律,得到单自由度系统的振动微分方程如下:

  （1）

现将基础振动情况假设如下:

   （2）

将式(2)带入式(1)并展开到方程两边:

   （3）

将式(3)改写为无量纲形式[4] :

   （4） 

式(4)中,未标明的符号表达式如下:

（5） （6）

        式中η称为振幅放大因子。如图2所示,以频率比λ为横坐标, 放大因子η 为纵坐标, 画出不同阻尼比情况下的幅频响应曲线。

图 2  幅频响应曲线

        从图2中可以看出, 不论阻尼大小,只有当频率比λ>√2时, 才有减振效果。

2 整体减振方案设计

2. 1 研究对象及设计要求

        研究对象为空间站中微操作系统需求的仪器,例如吸附机构、物镜、宏操作器、相机、微操作器和UV组件等仪器, 如图3所示。由于上述仪器多为轻巧且结构复杂的精密件,初步设计将上述仪器统一归置在减振箱中, 目的在于对火箭发射过程中的外源振动进行抑制,  保护精密仪器的精度及防止仪器失效,在试验准备开始时, 再将仪器取出, 保证微注射实验的可靠进行。

        相对于其他减振设计,该减振箱减振设计还需满足以下要求[5,6] :

        (1)在火箭发射过程, 减振箱安装在实验柜内部安装平台上,而在整柜的模态分析中测得该平台的局部共振频率为45Hz , 所以要求设计的减振器使该减振箱的一 阶频率应远离该共振频率。

        (2)多向减振,该减振设计需要在3个平动方向上 都具备降低振动激励的效果。

        (3)满足空间环境设计要求, 由于安装空间及环境设计要求, 减振设计需满足结构简单及空气洁净度、真空环境等使用要求。

图 3  受试试验仪器模拟载荷

2. 2 减振设计方案

        在减振箱内部配置试验仪器,为了充分保护仪器设 备, 抑制外源载荷影响,本文采用全包裹的方式进行减振方案的设计,并设计多种方案分别进行试验,验证减振效果, 减振方案如下表1所示。

表 1 减振方案设计

减振箱内部减振方案材料布置, 如图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 

图 4  减振方案布置图

3 减振箱振动试验

        试验系统包括:激振系统、测试系统、数据采集系统和数据处理系统[7]。试验装置包括振动台、控制仪、功率放大器 、64通道B&K3660-D数据采集仪、B&K4508-B加速度传感器和电脑等。振动试验原理如图5所示, 由电脑输入振动条件传给振动控制仪,控制仪输出振动控制信号经功率放大器放大后控制振动台,电磁振动台沿X、Y、Z三个平动方向激励减振箱, 响应点A、B的加速度响应信号经过滤波和放大采集到电脑,得到各测点加速度响应曲线, 比较各减振方案的减振效果 [8]。

图 5  振动试验原理图

        由于随机振动激励条件较小,通过对不同方案进行正弦扫频试验,对比分析各方案的减振效果。减振箱振动试验过程照片, 如图5所示。

图 6  现场振动试验图片

        分别对上述减振方案进行振动试验,加速度传感器 响应点贴于试验对象光滑表面,控制点贴在工装与被试产品接口上。振动台输入条件采用实验柜与减振箱安装 平台界面的已知激励条件,考虑安装界面的垂直方向激励载荷远大于水平方向激励, 减振箱的控制输入条件, 如表2所示[9,10]。

                 表 2  正弦振动试验条件

4 试验结果分析

        试验过程中,试验对象的加速度信号通过采集仪发送到电脑,得出各减振方案内部载荷模块粘贴测点的加速度幅频曲线, 如图 7 所示。

图 7  方案控制及响应曲线 

        通过读取各曲线数据,得到各方案的一阶共振频率及放大因子,如表3所示。

        通过比对各方案的试验曲线,可以得出方案1、方案2、方案3和方案6的减振效果较差,其共振频率处响应对输入条件分别放大2.93 倍、3.02倍、3.25倍、3.23倍,而方案2和方案3在敏感频率范围即在平台的局部共振频率45Hz左右产生共振,加速度响应分别为22.7g和24.4g,在实际的外源振动下,这会造成减振箱内仪器振动剧烈, 甚至发生损坏。而方案4和方案5的一阶共振频率处的加速度响应最大,分别为12.31g和4.85g ,  仅放大1.64 和1.29 倍,并且在45Hz 处无共振现象,可以得出方案5效果最佳。

             表 3  各方案加速度响应情况

5 结语

        本文对空间站科学实验所用的精密科学试验仪器进行减振设计,设计了多种减振方案。根据实际的工况条件,对设计的多种减振方案进行了振动试验分析,采用不同硬度的海绵周边固定, 内部用软海绵直接包裹被试

对象的减振方案能有效保护空间科学试验仪器, 减振效果明显且减振方案可实施性强,能保证科学实验仪器的精度要求及在火箭发射过程中的抗力学性能及可靠性。 通过振动试验数据分析,得到海绵材料在航天应用中不

仅对精密仪器的有效保护, 还能有效减缓火箭发射的振动坏境, 并且对其减振效果有了更加直观和准确的评价, 对类似减振结构和精密仪器的减振设计具有重要的借鉴和指导意义。

参考文献:

[1]  刘天军,  侯丽雅,  章维一.  细胞微量注射装置的研究[J].  机械工程学报, 2004, 40(5):161-164.

[2]  许妍妩,  王春洁,  宋顺广.  空间展开桁架结构的减振优化设计方法[J].  机械设计与制造, 2014(04):24-26.

[3]  王江波,  强宝民,  郭君斌,等.  某航天器运输过程中的动力学特性分析[J].  包装工程, 2017, 38(19):148-152.

[4]  孔振,  李辉,  曹雪峰.  减振密封包装箱设计及试验分析[J].  包装工程, 2014(3):128-131.

[5]  俞黎明.  减速器箱体阻尼减振研究[D].  哈尔滨工程大学, 2010.

[6]  崔敏亮.  某空间飞行器复合材料仪器安装板整体减振技术研究[D].  国防科学技术大学, 2012.

[7]  knight  c，Remedia M,  Aglietti G S, et al. Satellite Vibration Testing: Angle optimisation method to Reduce overtesting[J]. Acta Astronautica, 2018, 147.

[8]  郭迅,  郭强岭.  空空导弹振动试验条件分析[J].  装备环境工程, 2012, 09(3):99-103.

[9]  Ryabov V, yartsev  B.  coupled damping vibrations  of anisotropic box beams[c]// International conference on Mechanics-seventh polyakhovs Reading. 2015.

[10]  骆海涛,  富佳,  王鹏, et al.  空间桁架结构减振设计与试验验证[J].  噪声与振动控制, 2019, 39(1):1-4.