一种用于卫星平台的通用减振装置及其设计方法与流程

1.本发明属于卫星发射技术动力学环境抑制领域，具体涉及一种卫星平台的通用减振装置及其设计方法。


背景技术：

2.卫星发射过程中的振动和冲击问题一直是各国航天工程界所关注的重点之一，当前国内针对整星的减振、隔振技术已经相继开展了一系列的研究和工程应用，部分隔振装置用于卫星的星箭适配器改进中，取得了较好的应用效果。但对于部分小卫星，尤其是500kg-1500kg的卫星仍采用刚性对接环来连接卫星与适配器。随着我国航天事业的发展，小卫星发射数量的增多，用于小卫星平台的减振装置研发势在必行。
3.对卫星实施减振可以明显降低卫星在发射过程中可能受到的损伤，还可以为卫星上设备提供良好的力学环境，提高对精密仪器的保护能力，对提升我国卫星能力具有重要的意义。
4.目前，卫星对接环与运载之间通过刚性包带连接。众所周知，卫星发射时需要对关键设备消除大部分的振动和冲击，从而提高卫星发射过程中的稳定性和可靠性，使其综合能力能满足各个环境的要求。现有技术中小卫星在实际发射过程中卫星的对接环为刚性连接，刚度大，阻尼弱，隔振减振效率差，影响卫星本体内关键设备的寿命。
5.卫星在发射过程中，其力学环境比较恶劣，为了降低力学环境带来的影响，需要对整星减振能力进行改善和优化。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于卫星平台的通用减振装置，包括上连接环，下连接环和若干个金属橡胶单元；
7.上连接环与卫星本体固定连接，下连接环与运载适配器刚性连接，金属橡胶单元安装于上连接环和下连接环之间且个数＞1；
8.金属橡胶单元包括外罩、支承座和两个金属橡胶网块，将两个金属橡胶网块分别记为第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块；所述金属橡胶网块为螺旋状金属丝形成的网状结构；支承座包括轴和支撑台，轴上端与上连接环固定连接，支撑台与轴连接且垂直于轴轴向，第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块套于轴外侧，且第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块之间通过支撑台隔开；外罩设于金属橡胶网块外侧，外罩下端与下连接环固定连接。
9.本发明还提供一种用于卫星平台的通用减振装置的设计方法，首先跟据卫星总体参数，初步确定单个金属橡胶单元的承载面积及金属橡胶单元数量；然后根据单个金属橡胶单元的承载面积及金属橡胶单元数量，初步确定金属橡胶单元中金属橡胶网块的弹性模量；最后根据初步确定的单个金属橡胶单元的承载面积、金属橡胶单元数量以及金属橡胶单元中金属橡胶网块的弹性模量构建减振装置和卫星整体的有限元模型，对减振装置的减
振效率进行仿真验证，得到金属橡胶单元的承载面积、金属橡胶单元数量以及金属橡胶单元中金属橡胶网块的弹性模量的最优值。
10.本发明实现了有效的隔振和缓冲，在不影响卫星构型布局和总装流程的同时能够满足卫星对稳定性和可靠性的要求，能够适应航天应用的特殊环境要求。
11.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
12.一种用于卫星平台的通用减振装置，其特征在于，包括上连接环，下连接环和金属橡胶单元；
13.上连接环与卫星本体固定连接，下连接环与运载适配器刚性连接，金属橡胶单元安装于上连接环和下连接环之间且个数＞1；
14.金属橡胶单元包括外罩、支承座和两个金属橡胶网块，将两个金属橡胶网块分别记为第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块；所述金属橡胶网块为螺旋状金属丝形成的网状结构；支承座包括轴和支撑台，轴上端与上连接环固定连接，支撑台与轴连接且垂直于轴轴向，第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块套于轴外侧，且第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块之间通过支撑台隔开；外罩设于金属橡胶网块外侧，外罩下端与下连接环固定连接。
15.进一步的，所述第一金属橡胶网块的上端面与外罩顶部内壁接触，第一金属橡胶网块的下端面与支撑台的上表面接触，第二金属橡胶网块的上端面与支撑台的下表面接触，第二金属橡胶网块下端面与下连接环的上表面接触；
16.所述第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块的内表面与轴外表面接触，第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块的外表面与外罩侧面内壁接触。
17.进一步的，所述支承座中的支撑台为圆形结构；第一金属橡胶网块和第二金属橡胶网块同轴。
18.进一步的，上述一种用于卫星平台的通用减振装置，还包括螺栓，固定螺钉和固定螺帽；
19.上连接环设有第一连接孔，支承座的轴设有沿轴向的第二连接孔，所述第二连接孔位螺纹孔，螺栓与所述第一连接孔和第二连接孔配合，实现轴上端与上连接环固定连接；
20.外罩下端通过固定螺钉和固定螺帽实现与下连接环的固定连接。
21.进一步的，所述上连接环、下连接环和外罩采用铝合金材料制备，所述支承座采用钢材料制备；
22.所述上连接环和下连接环的尺寸相同，各金属橡胶单元沿上连接环和下连接环周向均匀分布。
23.进一步的，所述支承座中轴的下端不与下连接环接触，轴的上端穿过外罩顶部，轴的上端不与外罩顶部接触。
24.上述一种用于卫星平台的通用减振装置的设计方法，包括如下步骤：
25.s1根据卫星总体参数，初步确定单个金属橡胶单元的承载面积a及金属橡胶单元数量n；
26.s2根据单个金属橡胶单元的承载面积a及金属橡胶单元数量n，初步确定金属橡胶单元中金属橡胶网块的弹性模量
27.s3根据初步确定的单个金属橡胶单元的承载面积a、金属橡胶单元数量n以及金属橡胶网块的弹性模量构建减振装置和卫星整体的有限元模型，对减振装置的减振效率进行仿真验证，得到金属橡胶单元的承载面积、金属橡胶单元数量以及金属橡胶网块的弹性模量的最优值。
28.进一步的，上述一种用于卫星平台的通用减振装置的设计方法的步骤s1中，所述卫星总体参数包括卫星与减振装置连接时的接口尺寸约束d
max
，卫星质量m，和卫星转动惯量i；
29.单个金属橡胶单元的承载面积的初始值a及金属橡胶单元数量的初始值n的计算公式如下：
[0030][0031]
其中，d和d分别为金属橡胶单元中金属橡胶网块的外径和内径，g为重力加速度，fa为依经验确定的金属橡胶单元单位面积承载能力，定义上连接环圆心和下连接环圆心连线的中点为连接环整体圆心o，r为金属橡胶单元与连接环整体圆心o的距离，定义n个金属橡胶单元中的任一金属橡胶单元为第1个金属橡胶单元，第1个金属橡胶单元与连接环整体圆心o的连接方向作为横向对称轴，θi为第i个金属橡胶单元和连接环整体圆心o的连线与横向对称轴的夹角。
[0032]
进一步的，上述一种用于卫星平台的通用减振装置的设计方法的步骤s2中，金属橡胶单元中金属橡胶网块弹性模量计算公式如下：
[0033][0034]
其中δf表示单个金属橡胶单元所受压力的变量，k
min
表示卫星整体设计所要求的刚度条件，δh表示金属橡胶块受δf后的变形量，h表示金属橡胶块原高度，dε表示压缩应变在δh内的变化量，dσ表示压缩应力在δh内的变化量，f表示根据金属橡胶单元数量n得到的单个金属橡胶单元所受压力，表示弹性模量，ε表示压缩应变参数，a和b为经验系数，根据试验数据拟合得到，d
l
金属橡胶网块中螺旋状金属丝的螺旋卷直径，ds表示金属丝
直径，ρ
mr
表示金属橡胶单元的相对密度。
[0035]
进一步的，上述一种用于卫星平台的通用减振装置的设计方法的步骤s3中，采用如下公式对减振装置的减振效率η进行仿真验证：
[0036][0037]
其中，ωo和ωe分别为卫星的目标频率和仿真计算频率；
[0038]ao
为上连接环与下连接环刚性连接时的动力学响应峰值，ae为减振装置动力学响应峰值。
[0039]
本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：
[0040]
(1)本发明卫星减振装置下连接环的下端面收到振动冲击能量时，能量能够通过外罩与支承座挤压金属橡胶网块，利用金属橡胶网块阻尼大的特性和在激励载荷作用下金属丝的弹性变形和丝间滑移所产生的干摩擦阻尼，来大量吸收和耗散系统的能量，实现了有效的隔振和缓冲；
[0041]
(2)本发明减振装置结构简单、安装方便、抗冲击性能好、抗空间辐射、抗老化、耐高低温，可有效抑制卫星发射过程中的动力学环境，在不影响卫星构型布局和总装流程的同时也满足卫星对稳定性和可靠性的要求，还可以满足运载接口；
[0042]
(3)本发明为金属橡胶单元的设计优化提供了一套系统完整的仿真分析和验证试验流程，提高了减振装置的使用灵活性，提高了通用性，能够适应航天应用的特殊环境要求。
附图说明
[0043]
图1为本发明减振装置平面结构示意图；
[0044]
图2为本发明减振装置内部结构示意图；
[0045]
图3为本发明的上连接环结构示意图；
[0046]
图4为本发明的下连接环结构示意图；
[0047]
图5为本发明实施例1的减振装置整体示意图。
[0048]
图中：1-上连接环，2-外罩，3-固定螺帽，4-下连接环，5-第一网块(第一金属橡胶网块)，6-第二网块(第二金属橡胶网块)，7-螺栓，8-轴、9固定螺钉。
具体实施方式
[0049]
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0050]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0051]
如图1，本发明一种用于卫星平台通用减振装置，包括上连接环1，下连接环4和金属橡胶单元，其中金属橡胶单元包括外罩2、支承座和金属橡胶网块，支承座包括轴8和支撑台，金属橡胶单元的数量根据卫星需求承载能力进行优选取舍。
[0052]
如图2所示，将2个金属橡胶网块分别记为第一网块5和第二网块6；上连接环1设有
第一连接孔，第一连接孔的数量与螺栓7数量相等，轴8设有沿轴向的第二连接孔，第二连接孔为螺纹孔，螺栓7与轴8螺纹连接，所轴8外围自上至下分别安装有第一网块5、第二网块6，第一网块5和第二网块6的外围设有外罩2，外罩2下端面与下连接环4上端面连接，外罩2底部开设有四个第三连接孔，下连接环4开设第四连接孔，固定螺钉9穿过第三连接孔和第四连接孔并与固定螺帽3配合后实现外罩2与下连接环4的固定连接。
[0053]
第一网块5和第二网块6为选择的满足卫星动力学环境要求的金属橡胶网块，采用金属丝，优选不锈耐蚀钢丝经编网、缠绕、压制成型，网块中的金属丝呈螺旋状。
[0054]
如图3和图4分别为上连接环1和下连接环2的结构示意图，上连接环1与卫星本体刚性连接，适应卫星安装接口，下连接环4与运载适配器刚性连接，适应适配器安装接口。本发明卫星平台通用减振装置安装在卫星上正常工作时能够改善卫星发射阶段的动力学环境。
[0055]
上连接环1、下连接环4、外罩2分别为一种铝合金构件；螺栓7、金属橡胶单元中的支承座为一种钢构件。
[0056]
上连接环1与螺栓7以及轴8完全接触，轴8上端与上连接环1的下表面接触。
[0057]
第一网块5、第二网块6内侧与轴8完全接触，外侧与外罩2完全接触，形成径向约束，以实现对卫星横向振动或冲击的减振缓冲。
[0058]
第一网块5的上下圆环面分别与外罩2的内顶面和“十”字结构支撑台的上端面接触，第二网块6的上下圆环面分别与支撑台的下端面和下连接环4的上表面接触。
[0059]
一种用于卫星平台的通用减振装置的设计方法，使金属橡胶单元满足卫星动力学环境要求，包括如下步骤：
[0060]
1)计算单个金属橡胶单元的承载面积的初始值a及金属橡胶单元数量的初始值n，计算公式如下：
[0061][0062]
其中，d
max
为卫星与减振装置连接时的接口尺寸约束，m为卫星质量，i为卫星转动惯量；d和d分别为金属橡胶单元中金属橡胶网块的外径和内径，g为重力加速度，fa为依经验确定的金属橡胶单元单位面积承载能力，定义上连接环1圆心和下连接环4圆心连线的中点为连接环整体圆心o，r为金属橡胶单元与连接环整体圆心o的距离，定义n个金属橡胶单元中的任一金属橡胶单元为第1个金属橡胶单元，第1个金属橡胶单元与连接环整体圆心o的连接方向作为横向对称轴，θi为第i个金属橡胶单元和连接环整体圆心o的连线与横向对称轴的夹角。2)根据单个金属橡胶单元的承载面积a及金属橡胶单元数量n，初步确定金属橡胶单元中金属橡胶网块的弹性模量金属橡胶单元中金属橡胶网块弹性模量计算公式如下：
[0063][0064]
其中δf表示单个金属橡胶单元所受压力的变量，仿真或试验中传感器测得，k
min
表示卫星整体设计所要求的刚度条件，δh表示金属橡胶块受δf压力变量后的变形量，仿真或试验中传感器测得，h表示金属橡胶块原高度，dε表示压缩应变在δh内的变化量(微分)，dσ表示压缩应力在δh内的变化量(微分)，f表示根据金属橡胶单元数量n得到的单个金属橡胶单元所受压力，表示弹性模量，ε表示压缩应变参数，a和b为经验系数，根据试验数据拟合得到，d
l
金属橡胶网块中螺旋状金属丝的螺旋卷直径，ds表示金属丝直径，ρ
mr
表示金属橡胶相对密度。
[0065]
3)在有限元仿真软件中建立减振装置模型，结合卫星整体模型，采用如下公式对减振装置的减振效率η进行仿真验证：
[0066][0067]
其中，ωo和ωe分别为卫星的目标频率和仿真计算频率；
[0068]ao
为上连接环与下连接环刚性连接时的动力学响应峰值，ae为减振装置动力学响应峰值。
[0069]
(4)根据步骤3计算的减振效率结果，如果无法达到减振要求，则重新选择金属橡胶单元数量n、单个金属橡胶单元的承载面积a以及金属橡胶网块的弹性模量(比如通过改变金属橡胶网块螺旋状金属丝的螺旋卷直径d
l
、金属丝直径ds、金属橡胶相对密度ρ
mr
等参数改变金属橡胶网块的弹性模量)，直到满足减振要求为止。
[0070]
本发明提供的减振装置结构简单、安装方便、抗冲击性能好、抗空间辐射、抗老化、耐高低温，可有效抑制卫星发射过程中的动力学环境，在不影响卫星构型布局和总装流程的同时也满足卫星对稳定性和可靠性的要求。同时，本发明为其金属橡胶网块合适刚度阻尼的优选制定了一套系统完整的仿真分析和验证试验流程，以适应航天应用的特殊环境要求。本发明安装时，将金属橡胶网块套接在轴上，通过螺栓、外罩、固定螺帽、固定螺钉，将金属橡胶网块固定在金属橡胶单元内腔，简单便捷，安装稳固；拆卸时，只需要拆卸固定螺帽，十分便捷，同时不影响卫星构型布局和总装流程，还可以满足运载接口。即可以在不改变星箭适配器类型的前提下，结构简单，便于安装拆卸，有利于维修维护，十分便捷。
[0071]
实施例1：
[0072]
如图5，本实施中的卫星平台通用减振装置，包括上连接环1，下连接环4和31个金属橡胶单元，其中金属橡胶单元包括外罩2、支承座和金属橡胶网块，支承座包括轴8和支撑台。上连接环1与卫星本体通过螺栓连接，下连接环4与运载适配器通过刚性包带连接，金属橡胶单元置于上连接环1和下连接环4之间且与上连接环1和下连接环4固定连接。
[0073]
上连接环1所设第一连接孔为31个，通过31个螺栓7将上连接环1与31个金属橡胶单元固定连接，下连接环4设有124个第四连接孔，通过124个固定螺钉9和固定螺帽3的组合实现外罩2与下连接环4的固定连接。
[0074]
金属橡胶单元由上下串联的两块金属橡胶网块提供刚度和阻尼，起到减振隔振的作用。轴8外围的上方和下方分别安装有第一网块5和第二网块6，所述金属橡胶单元-第一网块5、第一网块5和第二网块6的外围设有外罩2，外罩2下端面与下连接环4上端面连接。
[0075]
上连接环1、下连接环4、外罩2分别为一种铝合金构件，重量轻，兼容强。；螺栓7、金属橡胶单元中的支承座为一种钢构件，强度高。
[0076]
第一网块5和第二网块6采用不锈耐蚀钢丝经编网、缠绕、压制成型，连接紧固，缓冲效果好。
[0077]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0078]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。