航天飞行器减振降噪方法研究

陈柯勋，王晓毅，薛辉

（1.北京强度环境研究所；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

航天飞行器减振降噪方法研究

陈柯勋1，王晓毅1，薛辉2

（1.北京强度环境研究所；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

为了解决航天飞行器易受振动、噪声环境影响而发生故障的问题，本文设计了航天飞行器减振降噪方法，包括基于多种不同类型金属减振器的减振方法、基于亥姆赫兹共鸣器的低频噪声降噪方法、基于声学覆盖层的中高频降噪方法三个方面，该方法在军民两种减振降噪领域都有广泛的应用前景。

航天飞行器；减振器；降噪方法；共鸣器

运载火箭、有效载荷结构及仪器设备等航天飞行器，从点火至卫星在轨运行阶段要经历多种动力学环境，如发动机推力脉动和气动噪声载荷引起的结构振动，发动机点火、关机与分离过程引起的冲击以及起飞噪声与气动噪声引起的内声场等。严酷的力学环境可能引起结构失效、仪器设备故障等问题，甚至导致飞行失败。美国NASA一项调查表明，发射后不久产生的航天器故障近50%是由发射阶段的振动、冲击和噪声载荷引起的，因此开展航天飞行器减振降噪方法相关的研究具有重要意义。

1 航天飞行器减振降噪方法

为了降低航天器由于振动、噪声而引起的故障发生率，设计了一个较为全面的航天飞行器减振降噪方法。其中，针对有效载荷受到的振动环境，提出利用不同类型金属减振器来保持航天飞行器较好的减振特性；针对有效载荷受到的噪声环境，从频段的角度分别进行了低频、中高频降噪方法研究，针对性的提出了不同的降噪方法，包括基于亥姆赫兹共鸣器的低频噪声降噪方法、基于声学覆盖层的中高频降噪方法。

1.1 基于多种不同类型金属减振器的减振方法

航天飞行器是一个非常复杂的动力运行系统，由多种电子设备、惯性导航设备等组成，不同航天飞行器的组成部分与结构均不同。因此不同类型航天飞行器的减振需求也不同。为了尽可能全面的满足航天飞行器的减振需求，本文提出了基于多种不同类型金属减振器的减振方法，主要包括套筒型金属减振器、支座型金属减振器、金属缓冲器和金属密封环四种金属减振器件。这些器件可以单独使用，也可以针对性的组合使用，具体组合方法视实际情况而定。

1.1.1 套筒型金属减振器

套筒型金属减振器为全金属制品，由金属减振垫和金属结构件构成，其中金属减振垫为最要的减振功能元件，由金属丝经过特定的工艺过程制作成型，为振动系统提供刚度和阻尼，通过对减振垫的结构参数以及制备工艺参数的调整，可以使减振垫满足特定的应用环境条件以及刚度、阻尼减振性能要求。

套筒型金属减振器可达到与所选金属相同的储存寿命，而且在储存期间能保证减振性能的稳定性；环境适应性强，通过合适的选材可以适用于腐蚀性强的环境；在高低温循环下，能够保持稳定的减振特性；导电性符合金属的基本电化学定律，能够有效解决设备接地问题。

1.1.2 支座型金属减振器

支座型金属减振器由金属减振垫和机械结构件构成，其中金属减振垫为主要的减振阻尼功能元件，根据负载程度以及应用环境的区别，减振器提供刚度支撑的形式略有差异，部分系列由金属减振垫提供刚度，部分系列由弹簧和金属减振垫提供符合刚度。

支座型金属减振器性能可控，能高效减振、隔冲；在高低温环境下，能保证减振性能稳定；贮存期长，环境适应性强，可以在海水、油脂、真空等恶劣环境中工作，是传统橡胶构件的理想替代品。

1.1.3 金属缓冲器

金属缓冲器由金属缓冲垫和金属结构件构成，其中金属缓冲垫是主要的缓冲功能部件，为弹性阻尼元件，通过特定的工艺过程将金属弹簧丝编织成网状后经过冷压定型，金属缓冲装置通过金属缓冲垫金属丝间的摩擦耗散能量，以减缓冲击激励对航天飞行器的影响，从而达到保护航天飞行器的作用。

金属缓冲器主要缓冲功能部件均为金属制品，因为耐高低温、抗腐蚀、环境适应性强、贮存期长。冲击量级能大幅度衰减近90%，可广泛应用于减缓弹/箭级间爆炸分离时爆炸螺栓对箭体的冲击。

1.1.4 金属密封环

金属密封环由金属密封圈和支撑包裹层构成，其中金属密封环由金属丝经过特殊工艺压制成型，具备较小的空隙率以及较高的支撑刚度。

金属密封环适用于箭（弹）管路系统，在深低温环境下应用金属密封环以替代在低温环境下密封性能差的传统非金属密封材料。

1.2 基于亥姆赫兹共鸣器的低频噪声降噪方法

针对航天飞行器中存在的低频噪声问题，本文提出基于亥姆赫兹共鸣器的低频噪声降噪方法。亥姆赫兹共鸣器由密闭的空腔通过较小的短管开口与外部空间相连而成，在共振频率具有很强的吸声能力，当亥姆赫兹共鸣器共振频率与航天飞行器内空腔模态频率相匹配时，可降低该模态在外部激励下的响应峰值。因此，亥姆赫兹共鸣器可以用于航天器空腔内的低频噪声降噪，且对于单一频率的噪声降噪效果尤为明显。正是由于这一特性，使用亥姆赫兹共鸣器可以实现不同组合频率值的降噪，实现模块化的设计。

目前市面上已有的亥姆赫兹共鸣器单个重量约100g，高度小于100mm，增重小于2%。通过大量的实验证明，使用亥姆赫兹共鸣器降噪后，噪声峰值可以降低3～6dB，因此基于亥姆赫兹共鸣器的低频噪声降噪方法可以被应用于航天飞行器中，降低内噪声环境，对于保护有效载荷和航天飞行人员的舒适度具有重要意义。

1.3 基于声学覆盖层的中高频噪声降噪方法

针对航天飞行器中存在的中高频噪声问题，本文通过分析中高频声学覆盖层的降噪特性，提出基于声学覆盖层的中高频频噪声降噪方法。声学覆盖层可以通过吸声材料对内声场进行降噪，对航天飞行器内腔噪声环境进行控制，降低噪声强度，保护航天飞行器的电子元器件、整体结构不被破坏，特别是减小中高频噪声对关键部件的疲劳损坏，从而提高整个系统的可靠性。

声学覆盖层具有吸声材料重量轻、吸声性能好、成本低廉、材料表面处理工艺简单、安装工艺简单等特点，目前市面上已有的声学覆盖层可以有100%、80%、50%多种铺设状态，材料的厚度约为50mm，增重小于2%。通过大量的实验证明，使用声学覆盖层降噪后，噪声峰值可以降低5dB左右，因此基于声学覆盖层的中高频噪声降噪方法同样可以被应用于航天飞行器中，具有重要意义。

2 结语

本文针对航天飞行器易受振动环境和噪声环境影响而容易发生故障的问题，设计了一个结构完整的航天飞行器减振降噪方法，可以有效的保护航天飞行器。该方法不仅可以应用于新型运载火箭及卫星航天飞行器的减振与降噪过程中，还可以在民用减振降噪领域广泛使用，具有广泛的市场应用前景。

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