甚高精度天文卫星多元耦合振颤传递特性分析及隔振控制研究

The chatter sources of ultra-high accurate astronomical satellites have many components and strong couplings. They are the important factors of affecting a satellite load’s stability and accuracy. Research on transfer characteristics and isolation control of multiple coupling chatters in ultra-high accurate astronomical satellites is a bottleneck of following or surpassing international advanced ultra-high accurate astronomical satellites. This research, therefore, has important significance in science and engineering. This project takes a Sino-French cooperation ultra-high accurate astronomical satellite called SVOM as an example. According to the demands of a ultra-high accurate astronomical satellite, methods of coupled chatter source decoupling and independent component extraction are presented. Production mechanism of multiple coupling chatter sources is analyzed. Main transmission paths and key parameters are identified and chatter transfer mathematical model is produced. The parameters and chains of multistage vibration isolator are designed for suppressing high frequency chatter component transmissions. The control results are verified by several experiments. At last, the theories of chatter transmission and vibration isolation control are formed in ultra-high accurate astronomical satellites. They provide the necessary theoretical support and application basis for high accuracy manufacture level of domestic astronomical satellites.

甚高精度天文卫星振颤源具有分量多和耦合强的特征，是影响卫星载荷稳定性和准确度的重要因素，研究甚高精度天文卫星多元耦合传递振颤传递特性及隔振控制是追踪或超越国际甚高精度卫星水平必须要突破的瓶颈，具有重要的理论意义和科学价值。本项目以中法合作甚高天文卫星SVOM为例，针对其甚高精度需求，提出天文卫星耦合振颤源信号解耦及独立频率分量提取方法，分析天文卫星多元耦合振颤源形成机理；辨识振颤主导传递路径及关键参数，建立包括多元振颤在内多级传递数学模型及仿真系统，模拟天文卫星振颤工况；设计隔振器参数及链路，施加多级隔振器组以抑制天文卫星高频振颤分量传递，并通过实验验证控制效果，形成甚高精度天文卫星振颤传递及隔振控制方法，为提升我国天文卫星的高精制造水平提供必要的理论支持和应用基础。

卫星运行过程中，内部组件工作产生的微振动是影响高分辨率卫星勘测任务的主要因素。针对天文卫星对甚高指向精度和稳定性需求，开展了动量轮微振动建模及特征辨识、卫星振颤传递路径及传递规律分析、基于高阻尼锰铜合金弹簧隔振平台的隔振性能及应用研究，有效地降低了载荷区域振动，为提高卫星成像质量及稳定度提供指导作用。. 考虑转子不平衡、轴承几何缺陷和结构弹性因素，建立动量轮的微振动模型。结合动力学模型数值计算和运行模态测试，确定转子轴承和壳体的模态频率。提出以一种基于AIC-SVD的信号降噪方法，结合分箱算法对动量轮微振动信号进行特征提取，并对激励振源进行辨识。通过分析对比可知：AIC-SVD降噪相对尖峰阈值去噪具有更好自适应性，系统谐波激励除转子不平衡引起的基频谐波，振源还包括由轴承保持架跳动产生的0.6倍次谐波，由轴承部件局部瑕疵、波纹度及转子不平衡组合作用下的各类高次谐波。. 提出了一种基于Kalman滤波器的高频振颤路径辨识方法，并将其应用于动量轮到相机支架的传递系统，结合奇异熵增量斜率法确定系统阶次及各路径子系统状态空间方程，通过计算各路径对响应点的振颤贡献量，明确卫星主导振颤传递路径。采用结构声强法研究蜂窝舱板的具体振动传递规律，对比各路径不同波形的净传递比及振动总能量，分析不同路径上波形参与能量传递情况。基于主导传递路径分析，采用加筋的方式对能量传递过程进行阻滞，对比不同加筋形式作用前后对成像相机安装区域的影响。. 开发了一种基于高阻尼锰铜合金弹簧的隔振平台，利用共振法测试得到隔振元件的阻尼参数，结合仿真计算和测试获取弹簧的刚度特性。开展动量轮的隔振试验，验证其在六个方向的振动抑制效果。设计用以模拟卫星微重力状态的悬吊系统，通过整星微振动及隔振测试评估隔振性能。隔振平台的安装使得振源附近的振动减小60.73%，在敏感载荷安装面的振动减小40.89%。