空間有效載荷上行減振箱設(shè)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(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室,沈陽 110016;

2. 中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院,沈陽 110016;

3. 東北大學(xué) 機械工程學(xué)院,沈陽 110819)

        摘  要:空間站科學(xué)實驗用的微操作注射系統(tǒng)由于精度高,在承受火箭發(fā)射階段的復(fù)雜振動后,其自身的幾何形變和結(jié)構(gòu)強度將受到重要影響, 嚴重會造成生命科學(xué)實驗任務(wù)的發(fā)射失敗。通過設(shè)計一種減振箱,將實驗儀器放置于減振箱中一同發(fā)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(huán)境。減振箱的設(shè)計根據(jù)載荷模塊的不同,采用了多種減振方案來緩沖內(nèi)部科學(xué)實驗?zāi)K所受到外界的振動激勵,并采用64通道B&k數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來進行振動試驗驗證。結(jié)果表明:外部硬海綿固定并結(jié)合內(nèi)部軟海綿包裹科學(xué)實驗儀器的方案結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn),可以實現(xiàn)高頻振動大幅度衰減, 不與其他載荷結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)構(gòu)和精密儀器的減振設(shè)計具有重要的參考和借鑒意義。

        關(guān)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(dāng)前國內(nèi)外主要是通過對某些細菌和細胞的培養(yǎng)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(fā)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(fā)射過程等因素的影響。如果在太空環(huán)境中微注射實驗得以開展,就可以排除發(fā)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(huán)境下注射后發(fā)育過程的對照實驗。對微注射系統(tǒng)試驗儀器進行減振保護,對于探索微重力環(huán)境中的細胞生存和生命發(fā)育具有重要意義。

        微注射系統(tǒng)試驗所需要的精密儀器放置在空間科學(xué)實驗柜中,需要通過運載火箭發(fā)射到空間站預(yù)定軌道。運載火箭在發(fā)射過程中所經(jīng)歷的振動環(huán)境主要分為正弦振動和隨機振動。正弦振動主要是由發(fā)動機啟動、熄火和級間分離所引起的彈體結(jié)構(gòu)低階模態(tài)自由振蕩, 發(fā)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(fā)動機排氣噪聲、跨音速飛行段的氣動噪聲和 發(fā)動機燃燒室內(nèi)的壓力脈動等所引起的寬帶隨機振動[2.3]。這種復(fù)雜的振動環(huán)境會造成顯微注射試驗中的元器件性能精度下降, 甚至發(fā)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(guān)重要。

        本文根據(jù)工程實際需要,設(shè)計減振箱并加工模擬件進行減振效果驗證。設(shè)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(shè)計及其測試方法能給相關(guān)領(lǐng)域提供借鑒,對于空間科學(xué)載荷發(fā)射段的減振防護起到關(guān)鍵性的作用。

1 減振基本理論

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

圖 1  單自由度系統(tǒng)模型

        圖中y為基礎(chǔ)振動位移, x為基礎(chǔ)位移經(jīng)過隔振系統(tǒng)衰減后傳遞到雷達系統(tǒng)的位移。由于該模型屬于基礎(chǔ)振動向設(shè)備的傳遞,彈簧的變形量與兩端的相對位移有關(guān) ,其變形量可以表示為y-x , 因此在某一時刻其恢復(fù)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(jù)牛頓第二定律,得到單自由度系統(tǒng)的振動微分方程如下:

  （1）

現(xiàn)將基礎(chǔ)振動情況假設(shè)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(yīng)曲線。

圖 2  幅頻響應(yīng)曲線

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

2 整體減振方案設(shè)計

2. 1 研究對象及設(shè)計要求

        研究對象為空間站中微操作系統(tǒng)需求的儀器,例如吸附機構(gòu)、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(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密件,初步設(shè)計將上述儀器統(tǒng)一歸置在減振箱中, 目的在于對火箭發(fā)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(shè)計,該減振箱減振設(shè)計還需滿足以下要求[5,6] :

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

        (2)多向減振,該減振設(shè)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(huán)境設(shè)計要求, 由于安裝空間及環(huán)境設(shè)計要求, 減振設(shè)計需滿足結(jié)構(gòu)簡單及空氣潔凈度、真空環(huán)境等使用要求。

圖 3  受試試驗儀器模擬載荷

2. 2 減振設(shè)計方案

        在減振箱內(nèi)部配置試驗儀器,為了充分保護儀器設(shè) 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(shè)計,并設(shè)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(shè)計

減振箱內(nèi)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(tǒng)包括:激振系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[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(shù)據(jù)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(jīng)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(yīng)點A、B的加速度響應(yīng)信號經(jīng)過濾波和放大采集到電腦,得到各測點加速度響應(yīng)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(xiàn)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(yīng)點貼于試驗對象光滑表面,控制點貼在工裝與被試產(chǎn)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(jié)果分析

        試驗過程中,試驗對象的加速度信號通過采集儀發(fā)送到電腦,得出各減振方案內(nèi)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(yīng)曲線 

        通過讀取各曲線數(shù)據(jù),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(yīng)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(chǎn)生共振,加速度響應(yīng)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(nèi)儀器振動劇烈, 甚至發(fā)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(yīng)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(xiàn)象,可以得出方案5效果最佳。

             表 3  各方案加速度響應(yīng)情況

5 結(jié)語

        本文對空間站科學(xué)實驗所用的精密科學(xué)試驗儀器進行減振設(shè)計,設(shè)計了多種減振方案。根據(jù)實際的工況條件,對設(shè)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(nèi)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(xué)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(xué)實驗儀器的精度要求及在火箭發(fā)射過程中的抗力學(xué)性能及可靠性。 通過振動試驗數(shù)據(jù)分析,得到海綿材料在航天應(yīng)用中不

僅對精密儀器的有效保護, 還能有效減緩火箭發(fā)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(jié)構(gòu)和精密儀器的減振設(shè)計具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

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