航天器整体隔振系统多维隔振机构创新设计及半主动控制研究

据统计近半数的航天器反射失败或航天器故障是由于航天器在发射过程中，因结构振动或声激振动等环境载荷产生的动力过载而引起的。本项目针对航天器整体多维隔振系统进行创新研究，重点在多维隔振平台的创新设计以及隔振平台控制策略和方法等研究。分析表明航天器发射过程振动最主要是纵向和横向三维平移振动，其次是横向二维旋转振动，本项目提出以三平移、三平移两回转等两类并联机构作为航天器的多维隔振平台构型，并针对对称构型、含约束链构型、位姿解耦型及冗余驱动型并联机构进行构型方案创新设计；提出设计高轴向/剪切刚度柔性铰链替代机构中的刚性铰链以增强关节结合部阻尼；基于磁流变阻尼器设计变阻尼变刚度控制策略，实现隔振半主动控制；提出隔振系统机电集成建模和多学科稳健可靠性设计方法；提出考虑不确定性和外部扰动的系统模糊控制方法；构建三维隔振实验平台并进行实验验证。本项目研究对我国载人航天工程实施具有十分重要的理论和工程意义。

本项目针对航天器在发射过程中产生的多维振动，进行多维隔振平台及其半主动控制研究。根据航天器的振动特点，提出以少自由度并联机构作为航天器隔振平台的构型，建立多种航天器隔振系统平台，完成了对隔振平台的建模、分析、控制、设计制造及相关实验研究。本项目深入研究了三到五自由度并联隔振机构，对隔振机构进行了运动学分析和闭环动力学建模与分析，并研究了隔振平台的振动特性，开展了不同类型柔性铰链的性能分析。提出基于磁流变阻尼器的隔振控制方案，并采用模糊控制方法实现隔振平台的振动控制，对控制策略进行了方针分析。根据隔振理论，采用平台工作空间内的所有自由度方向上固有频率和的最大值作为极小化优化目标，基于粒子群算法对隔振平台样机参数进行了优化设计。设计了两种隔振平台样机，一种采用3- UPˆS/U与3-RPC组成的上下结构双层五自由度位姿解耦并联机构；另一种采用4UPS-P型四自由度并联机构，搭建了样机结构和控制系统实验平台，开展了正弦激励信号和随机激励信号作用下的振动控制实验,验证了研究设计的隔振平台及其控制策略的有效性。本项目研究工作为航天器设备隔振平台的工程应用奠定了基础。