黏弹阻尼技术在航天器上的应用与展望

黏弹阻尼技术作为一种被动振动控制技术,可有效改善航天器的载荷环境.文章对黏弹阻尼技术在航天领域的应用(包括航天器发射段和在轨段)进行了综述,指出了航天黏弹阻尼技术发展的薄弱环节,提出了有针对性的4项建议,涵盖了建模、空间环境试验、优化技术和试验验证方面的内容,并对未来技术的发展作了展望.     

航天器连接结构减振特性的功率流分析

在航天工程领域，减振技术得到了越来越广泛的应用。本文利用功率流 理论对航天工程中典型减振连接结构的减振特性进行了研究。针对卫星平台结构的构成，给出了星上减振连接结构通用的子结构描述方案，并基于子结构导纳综合方法推导出规范化的振动功率流计算模型。最后，以某星上仪表板的简化悬挂减振模型为例进行了算例仿真和分析，并从功率流角度解释了减振机理。结果表明，航天器连接结构减振特的功率流分析方法能够准确全面地指导和验证减振设计，满足工程上的精度要求，是可行的。     

基于变刚度变阻尼的柔性喷管动态模型

针对柔性接头动态迟滞曲线受控制系统控制位置精度和动态响应速度影响较大的问题,基于电液伺服机构和柔性接头变刚度变阻尼模型,构建了柔性喷管的电液伺服机构-变刚度变阻尼模型,将其和电液伺服机构-定刚度定阻尼模型进行了对比。分析了电液伺服机构主要参数、柔性接头工作参数等对电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的影响。分析结果表明:电液伺服机构-变刚度变阻尼模型所构造的迟滞曲线可更准确地与实验结果相吻合,并符合迟滞曲线随频率变化的规律,反馈系数、放大器静态放大系数、电液伺服机构增益、滑阀流量增益等参数对系统动态特性的影响更为明显。该模型为固体火箭发动机电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的调整提供理论依据。     

三轴稳定微小卫星主动磁阻尼姿态控制

针对三轴稳定微小卫星,用四元数法建立了速率阻尼阶段的动力学和运动学模型.根据地磁场强度矢量投影到轨道坐标系的简便旋转关系,设计了采用主动磁控的拟比例微分控制器,同时分析了磁力矩器的磁偶极矩.速率阻尼仿真结果表明:该控制法有效可行,具有一定的应用价值.     

小卫星瞬态外热流下动态传热特性分析

为揭示小卫星瞬态外热流下的动态传热特性规律,以小卫星双层集总参数模型为研究对象,推导得到动态热平衡方程。类比阻尼振荡系统,采用时频变换和传递函数分析的新思路,对温度与热流波动量间的幅值特性和相位特性变化规律进行理论研究,并利用数值方法进行验证。结果表明:推导获得了小卫星传热系统自然频率和阻尼比的热参数准则式,并证明了小卫星传热系统在热激励下振荡特性为过阻尼。阻尼比和频率比的增大及热流静位移的减小均可降低温度的波动幅度,不同频率比范围下阻尼比对热流的波动量与温度波动量间的相位差的影响呈相反规律,数值结果与解析分析结果一致。可为低热惯性小卫星的热控优化设计提供理论参考。     

Parameters design of vibration isolation platform for control moment gyroscopes

Vibration isolation is a direct and effective approach to improve the ultra-precise pointing capability of a high resolution remote sensing satellite. In this paper, a passive multi-strut vibration isolation platform for the control moment gyroscopes in a pyramid configuration on a satellite is adopted and the parameter design of this platform is discussed. The first step constructs a whole satellite dynamic model including the control moment gyroscopes and the vibration isolation platform with Newton–Euler method, while the analytical control moment gyroscopes disturbance model is derived. The transmissibility matrix of the vibration isolation platform is then obtained, and the frequency domain characteristics of the platform are described, with its influence on the attitude control system analyzed. The third part presents the parameter design method of the vibration isolation platform based on the frequency domain characteristics mentioned above. The stiffness and damping coefficients of this platform are subsequently selected with the above mentioned method. Finally, using these parameters, the performance of the vibration isolation platform on the satellite is testified by integrated simulations. The study shows that parameters of this platform selected based on this method not only satisfy the requirement of vibration isolation but also guarantee that the closed-loop attitude control system remains sufficiently stable.     

三余度数字伺服控制系统建模与动静态特性研究

对研究的三余度伺服控制系统的机理进行分析，建立了被控对象的线性化数学模型。在此基础上，对数字动压反馈环节的参数进行了仿真寻优，并对无故障和两种单点故障情况下系统的动、静态特性进行了仿真和分析。带惯性负载试验结果证实了理论建模分析的正确性，并表明数字动压反馈也能起到对负载谐振的阻尼作用，与机械式、模拟式实现形式相比，它更灵活、方便。     

桁架结构阻尼控制的绝对值模态应变能法

本文阐述了近似求解复特性值问题模态阻尼比的模态应变能法（ＭＳＥ）和绝对值模态应变能法（ＡＶＭＳＥ），分别用两种方法计算了空间桁架结构应用粘弹性阻尼器进行阻尼控制时结构的模态阻尼比。完成了空间桁架结构模型的粘弹性阻尼控制实验。理论分析与实验结果比较显示，当结构中粘弹性的成分较大时，ＡＶＭＳＥ对复特征值问题中模态阻尼比的近似计算给出更准确的结果。     

微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法

针对传统皮纳卫星姿态控制系统中磁力矩器输出力矩小、姿态控制响应慢等问题,提出一种微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法,提高了控制精度,缩短了控制周期,并利用Lyapunov稳定性理论证明了算法的稳定性。首先建立微型固体推进器阵列优化点火模型,然后给出其补偿控制时间设置方法,并推导出大角速度阻尼控制律和辅助速度阻尼控制律,同时设计了基于混合系统模型的姿态捕获联合控制律,最后通过仿真验证了速度阻尼联合控制律和姿态捕获联合控制律的有效性。仿真结果表明,相较于传统的纯磁控方法,联合控制方法能够有效提高控制精度,大幅度缩短控制周期。     

卫星飞轮支架的共固化阻尼减振设计

研究了应用共固化阻尼减振技术抑制某卫星星上飞轮支架的振动响应。共固化阻尼 减振是一种将阻尼层嵌入复合材料铺层中并共固化成型从而提高结构阻尼能力的振动控制技 术。首先,应用复合材料等代设计方法给出了无阻尼支架原型。然后,采用有限元法计算了 原型支架关键模态的应变能分布规律,确定出阻尼材料铺敷位置。参数化研究了阻尼层铺层 位置、阻尼层厚度对共固化阻尼减振效果的影响,确定了阻尼减振设计参数。最后,比较了 共固化阻尼支架与无阻尼支架的随机响应,验证了共固化阻尼减振设计效果。
     

火箭仪器舱仪器安装板的振动控制试验研究

本文在对长Ⅲ甲运载火箭仪器舱进行了试验模态分析的基础上，对长Ⅲ甲运载火箭仪器舱进行了可控约束阻尼层主被动一体化振动控制试验研究，研究结果表明，可控约束阻尼层结构对火箭仪器舱这一大型复杂结构进行振动控制是非常有效的。     

A procedure for calculating the damping in multi-element space structures

A procedure is outlined for estimating the damping in a multi-element space structure by incorporating distributed material damping and discrete nonlinear joint properties into a linear analysis. Tests have been conducted in which the transient response of a truss member is measured in free fall in a vacuum in order to obtain precise material damping characteristics. The force-state mapping technique is then used to identify the localized nonlinearities in joints by mapping the force transmitted through the joint as a function of the full mechanical state of the joint. The identified nonlinear joint parameters are then linearized using an equivalent energy approach which finds the equivalent linear stiffness and linear viscous damping by equating the integrated work done and energy dissipated by the nonlinearity to those of a spring and damper undergoing sinusoidal motion. The distributed material damping and localized nonlinear effects are then incorporated to form a linearized damped finite element model. Finally, an eigenvalue perturbation analysis is developed to explore the effect of introducing damping at the joints on the overall dynamics of the truss, and to obtain design guidance on where supplemental joint damping might optimally be added.     

航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究

针对航天器抓捕后由于系统质量特性和动量的改变而导致复合体系统失稳的问题,提出了两种基于角动量守恒的协调控制方法:关节阻尼控制和关节函数参数化协调控制。这两种方法通过对各关节和飞轮的速度进行协调规划和控制,实现对系统角动量的管理和重分配,在实现对目标进行停靠的同时,保证了基座的稳定性。两种方法各有优缺点,其中,关节函数参数化在实现系统稳定的同时还可使机械臂处于期望的臂型,以方便开展在轨维修等服务操作。所提出的方法将实际飞轮作为动量交换装置,具有很好的工程可实现性。仿真结果验证了方法的有效性。     

固体姿轨控发动机动态推力补偿

作为实现导弹快速机动响应的关键部件,固体姿轨控发动机的性能需要通过动态多分力测试评价,但由于推力测试台结构复杂,对测试数据补偿提出了更高的要求。本文采用双模态阻尼补偿法开展固体姿轨控发动机推力补偿研究,通过脉冲激励试验获得了主要模态参数,并对脉冲激励和发动机冷流试验数据进行补偿,验证了双模态阻尼补偿方法的可行性和应用效果。结果表明:双模态阻尼补偿效果优于单模态补偿,可以有效恢复动态推力信号。所建立的双模态阻尼补偿,在姿轨控发动机研制中得到了应用。     

轨控喷流干扰气动-运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学(CFD)/刚体动力学(RBD)耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数(马赫数,攻角等)变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

变化风场下近空间飞行器机体/发动机一体化飞行力学建模与分析

近空间飞行器飞行包络大、环境变化复杂、参数变化激烈,对其开展飞行控制技术研究工作的首要问题是对此复杂系统基本物理规律准确把握和描述,并依此建立其机理运动模型。针对机体/发动机一体化设计的近空间飞行器,系统地进行了飞行力学分析,并推导了变化风场下近空间飞行器在高超声速条件下的完整的6-自由度12-状态的动力学方程和运动学方程,体现出变化风场的影响和推力矢量的作用。随后,对其在不同条件下的开环控制特性进行了仿真研究,直观表现了系统的快时变、强耦合、强非线性和不确定性等特点。所得结果可用于未来高超声速飞行器轨迹管理、飞行控制等问题的概念设计和仿真研究。     

纤维体积含量对炭纤维三维四向编织复合材料试验模态性能的影响

通过试验方法对不同纤维体积含量的炭纤维三维四向编织结构复合材料振动性能进行了研究,根据试验结果分析了纤维体积含量对材料的振动性能的影响.试验表明,炭纤维三维四向编织复合材料随着纤维体积含量的增加,固有频率增大,阻尼比减小;纤维体积含量越大,传递函数的共振峰值越高,加速度衰减曲线越衰减缓慢,材料的阻尼特性减小.     

基于视线制导的交会停靠控制方法

空间交会停靠段的控制经常采用的一种方法是基于视线位置信息的平行接近法。本文对纵向控制中的非线性滑动模态控制方法进行了研究和改进 ,考虑了视线角对纵向控制的耦合作用 ,增加了耦合项 ,并进行了存在性和稳定性分析。对于横向和纵向同时协调控制 ,提出一种多变量互相耦合的非线性滑动模态视线制导控制方法 ,并对同时协调控制进行了存在性和稳定性分析     

航天器黏弹性约束阻尼结构频率响应分析方法

黏弹性约束阻尼是对航天器结构进行振动响应抑制的重要方法,而频率响应分析是评估抑振效果的重要分析手段。文章阐述了利用有限元分析软件MSC/NASTRAN对黏弹性约束阻尼结构进行频率响应分析的方法,分析了各种方法的特点,并结合典型航天器结构件给出具体分析算例,可为相关方法的工程应用提供借鉴。     

The new approach for damping modelling in the coupled dynamic load analysis for the Ariane 5 acoustic booster mode load cases

Solid propellant booster can have pressure oscillations with frequencies which correspond to the acoustic modes inside the motor case. These quasi-harmonic excitations can lead to severe dynamic responses if their frequencies are coincident with the resonance frequencies of the launcher. A correct modeling of the damping is essential for a realistic dynamic response prediction. The different components of the launcher have different damping characteristics which are known from substructure testing (e.g. modal testing, sine vibration testing). The modal damping in these substructure tests is achieved under certain boundary conditions, which are different compared to the situation in the coupled system. The paper describes the new applied approach which considers the different component mode damping of the substructures and allows a synthesized damping model of the coupled system. The new approach, called ‘Equivalent Structural Damping’ (ESD), is based on structural damping and makes use of the equivalence of modal viscous damping and modal structural damping in case of small damping. Particular emphasis is put on the damping coupling, which turned out to be significant for the 2nd acoustic booster mode load case and overcomes the inconsistencies of the past approach based on diagonal system damping.