弹性支承多点激励下控制力矩陀螺发射在轨两用非线性隔振技术研究

As the key actuators of the altitude control subsystem of satellite, the control moment gyroscopes (CMGs) feature high moment of momentum and high rotating speed which is believed as the greatest micro-vibration source on orbit. The micro-vibration generated by CMGs can degrade the resolution of sensitive payload which threat the performance of the satellite. This project faces real engineering requirement, considers the effect of both multi-point excitation and elastic support of the satellte structure on the performance of the vibraiton isolation system. Moreover, the different amplitude of excitation during launch and on-orbit are also considered which hence of real significance. Three aspects are considered to investigate associated theoretical problems:(1) the role of multi-point excitation and satellite elastic support structure on the mechnism of the vibration isolation performance. The aim is to clarify the influence of the two features mentioned above on the linear and nonlinear vibration isolaiton system. (2)The control capacity of the different vibration isolation strategy on the CMGs in six degree of freedom. This is to determine the vibraiton suppression result of the single point, whole body vibration isolation as well as the dual-stage vibration isolation system. (3) The experimental research based on real engineering problem shooting. The theroy will be verified through an experimental system of the proposed scenario in real CMGs of satellite application and to establish new methods for the design of CMGs vibration isolation systems.

卫星姿轨控关键执行部件控制力矩陀螺具有动量矩大、转速高的特点，能够实现卫星的快速机动能力，是目前卫星最大振源，造成卫星成像分辨率下降，严重威胁卫星性能。本项目针对实际需求，考虑控制力矩陀螺成组使用带来的多点激励和卫星特有的板梁结构的弹性支承，综合考虑在轨小振动和升空大振动激励，采用非线性隔振系统实现在轨和升空两用的隔振效果，研究具有现实意义。项目拟从三个方面研究基本问题：（1）多点激励和弹性结构对控制力矩陀螺隔振性能的影响规律，明确两个特性对线性和非线性隔振系统隔振效果的影响规律；（2）不同隔振方案对控制力矩陀螺微振动六自由度控制作用，结合多点激励和弹性基础，探索单点和整体隔振以及双层隔振对控制力矩陀螺振动的抑制能力；（3）多点激励弹性基础结构非线性隔振的实验研究，研究在典型蜂窝板支承结构下，系统的非线性响应特性和规律，验证理论方法和隔振效果，明确方案的可行性，为卫星微振动控制提供新方法。

本项目以控制力矩陀螺为控制对象，开展多点激励作用下弹性连续结构的非线性隔振机理研究，获取非线性刚度在不同量级振动激励下的动态特性，探索单独隔振、整体隔振以及多层隔振方案对振动的控制效果，为高分辨率、快速机动卫星的振动控制提供理论基础并指导实际工程设计。.项目形成的重要结论如下：.1）形成了在轨段微振动隔离的理论计算方法，揭示了微振动抑制装置产生耦合的原因，得到了优化后的微振动抑制装置在不同方向基础激励情况下的响应幅值曲线和位移传递率曲线。仿真结果表明，微振动抑制装置对CMG 100Hz主频振动处平移方向衰减均超过30dB，隔振效率大于94%，且在共振频率附近振动放大不超过3倍；.2)形成了发射段非线性隔振方案的理论设计方法，探索了非线性刚度在不同振动量级激励下的动态特性，并且完成了相关试验验证，通过对发射段隔振装置进行5-100Hz的扫频测试，得到了非线性系统的时域和频域响应曲线。实验结果表明，发射段隔振装置在大载荷激励下会出现明显的频率跳跃现象，可以有效抑制发射段大载荷振动，满足控制力矩陀螺发射段要求；.3）获得了弹性蜂窝板支撑下单独隔振、整体隔振以及多层隔振方案对振动的控制效果影响规律，双层隔振系统设计在力矩陀螺作用点处的幅值和边界上的力传递率均为所研究隔振方案中最优，但整体隔振和双层隔振在高频段的力传递率几乎没有差异，当刚度变大时，整体隔振方式的里传递率在高频段会更小。在基础弹性条件下，弹性梁模型的研究结果建议选择双层隔振方案进行隔振方案设计可以取得较好的效果。