泡沫铝隔冲器设计及其对卫星可展开附件收拢状态力学特性的影响

蒋国伟，顾亦磊，钟 鸣，周春华，孔祥森

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

泡沫铝因其特殊的疏松孔洞结构，质轻而具有很高的冲击吸能性能，具有良好的比刚度和比强度[1-3]，适合于利用火工品解锁的卫星可展开附件的爆炸冲击隔离。但因为泡沫铝结构中的大量孔洞，其静刚度相较铝合金必然有所下降[4-5]，可能影响可展开附件收拢状态的模态频率和振动响应。若泡沫铝隔冲器使得可展开附件在收拢状态下的模态频率下降较多，则可能增加展开附件与运载或卫星平台共振的风险，或因其振动响应过大而增加损坏/损伤的风险。因此，在设计泡沫铝隔冲器时，应尽可能避免其使展开附件收拢状态下的模态频率下降较多，同时保证振动响应不会放大较多。目前，关于泡沫铝隔冲器对卫星可展开附件收拢状态力学特性影响的研究，国内外尚无文献明确揭示，而该研究将有助于泡沫铝隔冲器在卫星上的工程设计与应用。

本文以某可展开数传天线为例，在分析可安装隔冲器的狭小区域的基础上，提出一种表层填充J-133常温胶的开孔泡沫铝块的扁平式结构泡沫铝隔冲器设计思路，并采用仿真计算和试验分析的方法研究其对卫星可展开附件收拢状态力学特性的影响。

1 泡沫铝隔冲器设计

某可展开数传天线设计有两个压紧点（每个压紧点均有一个火工切割器）将天线收拢压紧在卫星舱板，每个压紧点设计一个泡沫铝三向隔冲器[6]。考虑到布局的空间约束、包络尺寸限制、载荷资源限制等因素，隔冲器应设计安装在火工切割器与支架之间的狭窄区域（如图1所示），这样天线收拢状态不会因隔冲器的引入而发生变化。由此需考虑2个问题：1）增加隔冲器设计空间将使天线压紧角度增大（图1中为45°），从而使压紧点处的“悬臂”长度增加，降低天线收拢状态频率；2）天线压紧角度变大，则会超出运载包络要求。

隔冲器设计需在考虑隔冲性能和总装操作的同时，兼顾冲击变形应尽量小从而不影响数传天线展开功能，故而该隔冲器的可设计区域仅约为 80 mm×100 mm×11 mm。在该区域，从模态频率提升的角度考虑采用三明治夹芯板结构，在充分发挥泡沫铝高冲击吸能特性的基础上，可大幅提升结构的刚度特性[7]。隔冲器设计如图2所示[6]（图中坐标系为隔冲器局部坐标系，文中仅在描述隔冲器设计和刚度试验时使用）。

图1 某可展开数传天线的泡沫铝隔冲器设计空间Fig.1 The design space of foam aluminum shock isolator for a deployable digital antenna

图2 某可展开数传天线的泡沫铝三向隔冲器Fig.2 Three-direction foam aluminum shock isolator for a deployable digital antenna

扁平式三向隔冲器由框体、盖板、底板和泡沫铝块组成。框体设计有外部接口，代表冲击隔离装置的包络尺寸，并可根据约束调整空间包络尺寸以与支架机械连接。盖板设计有与火工切割器的接口，与泡沫铝块及框体接触。底板将泡沫铝块封闭于盖板和框体中，与框体设计有连接接口，与盖板不接触。泡沫铝块在框体、盖板、底板之间并互相接触。三向隔冲器三个方向的线刚度体现在：在盖板板面内（隔冲器的y向、z向），取决于盖板、泡沫铝块与框体之间的摩擦刚度和泡沫铝块的刚度；在垂直盖板板面方向（隔冲器的x向），取决于盖板与框体之间泡沫铝块的刚度。

开孔泡沫铝材料因其三维连通孔结构而具有突出的吸能效率，却也使得其模量下降进而引起模态频率的降低。在泡沫铝块的孔洞中填入黏弹性的高分子材料，可以提升泡沫铝块的刚度[5,8]。考虑泡沫铝和填充物的质量比例对冲击吸能的不确定影响、质量资源的限制等因素，本文参考国内外相关研究成果[5,8]，从经济性和工程便捷性角度出发，采用自然浸渗法将一定量的J-133常温胶浸入泡沫铝块表层。J-133常温胶为航天常用的结构胶黏剂，具有优良的综合性能，如耐热性、强度和韧性[9]。如此，一方面可增加泡沫铝块的黏弹性，提升隔冲器的刚度；另一方面配合泡沫铝隔冲器壳体可防止碎粒等多余物的产生。

隔冲器的结构是基于可展开附件收拢状态的有限设计空间，从利于刚度提升的角度而设计。而对于隔冲器内部泡沫铝块的刚度，本文从设计应用的工程性角度考虑，根据等效负载约为10 kg、火工切割器冲击加速度约为10 000g，以及泡沫铝块作用设计面积x向约为0.005 5 m2、y向及z向约为0.002 1 m2等条件，代入泡沫铝受冲击应力预估公式，得出所受冲击应力最低为18.2 MPa。式中：m为负载重量；a为输入冲击加速度；σx和σyorz分别为泡沫铝在x向及y、z向的冲击临界应力；Ax和Ayorz分别为在x向及y、z向的冲击作用面积。参考相关文献成果[8,10-11]，从隔冲器吸能效率最优的角度考虑，本文隔冲器设计应力为17 MPa，泡沫铝材料相对密度为0.22，泡沫孔径大小为1～2 mm。根据分离式Hopkinson压杆（SHPB）上该类泡沫铝应力-应变曲线测试结果可知[10]，泡沫铝块在溃变前的刚度为线弹性刚度，假定该刚度为k，根据泡沫铝块作用面积和设计尺寸可预估刚度范围为k∈(6300,1.65×105)N/mm；而在该线弹性刚度范围内，当k≤(1.3/t)2×4π2×m时可产生冲击抑制效果[12]，根据同类型火工切割器产品的冲击实测曲线[13-14]，可预估冲击持续时间约5 ms，可知k≤2.67×104N/mm。因此，从保证隔冲器抗冲击性能最优的角度，设计隔冲器刚度范围约为k∈(6300,2.67×104)N/mm。

2 力学性能分析

基于第1节对隔冲器的设计，考虑泡沫铝材料本身批次性问题及隔冲器存在摩擦等刚度非线性问题，为获取更为准确的仿真计算结果，在建模分析之前开展隔冲器刚度试验，然后将隔冲器的线刚度试验结果代入仿真模型进行模态分析和振动响应分析。

2.1 隔冲器刚度试验

隔冲器x向及y、z向刚度试验状态如图3所示，试验结果见图4。

图3 隔冲器刚度试验Fig.3 Stiffness test of shock isolator

图4 隔冲器刚度试验结果Fig.4 Results of stiffness test of shock isolator

由图4可知：隔冲器的x向刚度约为26 000 N/mm，y、z向刚度约为9400 N/mm。其中，y、z向刚度试验结果曲线显示摩擦刚度较低，相对泡沫铝块组合的刚度可以忽略；x向刚度测试时，因装配存在的0.2 mm间隙，在做完刚度试验后消失，但不影响后续使用。x向刚度较高，利于该方向基频的提升；而y、z向刚度相对较低，但因为冲击响应的主要缓冲方向需求在隔冲器y、z向，所以也符合设计需求，刚度试验值与设计值也基本相符。

2.2 模态分析

根据上述试验结果数值，在PATRAN/NASTRAN软件中以弹性元件建立隔冲器模型（其中，隔冲器的阻尼比参考相关文献[5,15-17]取值 0.05），分析可展开数传天线的模态频率。建模与分析均在天线坐标系下进行，天线坐标系及仿真云图如图5所示，结果如表1所示。后续分析和试验均参考该天线坐标系。

图5 带隔冲器的可展开数传天线模态仿真分析Fig.5 Modal simulation analysis of deployable digital antenna with shock isolator

表1 模态分析结果Table 1 Modal analysis results

分析结果显示，隔冲器使得天线压紧状态前三阶的模态频率下降不超过2.5 Hz。需要说明的是，为了使仿真与试验状态吻合以及仿真数据与试验数据对比，上述仿真模型中天线机构均为结构件建模，故而模态频率较高（高于真实产品模态频率，但不影响本文分析比较）。

2.3 振动响应分析

在模态分析仿真模型基础上，对模型压紧状态进行了正弦振动响应分析。激励频率范围为5～200 Hz；输入量级为鉴定级载荷输入条件，分析结果取数传天线上各测点响应相对于输入控制响应的放大倍数，如表2所示。

表2 振动响应仿真结果Table 2 Vibration reponse analysis results

仿真结果显示，因泡沫铝材料是一种具有高能量吸收特性的轻质高阻尼材料，其阻尼特性明显[15-17]，故而隔冲器使数传天线的振动响应没有被放大，反而变小了。

3 试验验证与分析

3.1 模态试验

将数传天线（含机构、支架等）通过工装板收拢固定在地基上，粘贴模态试验传感器，采用模态敲击法，测量数传天线分别在不安装和安装隔冲器状态下的模态，模态试验状态及结果如图6和表3所示。

图6 数传天线模态试验Fig.6 Modal test of the deployable digital antenna

表3 数传天线模态试验结果Table 3 Modal test results of the deployable digital antenna

隔冲器使数传天线收拢状态前三阶模态频率降低幅度在2.5 Hz以内，相较于数传天线自身模态频率，降低不到2%，是可以接受的。仿真结果与试验结果存在一定偏差，但相差不大，且隔冲器对模态频率影响的大小和趋势一致，说明隔冲器对数传天线结构整体模态的影响较小。

3.2 振动试验

将数传天线（含机构、支架等）通过工装板收拢固定在振动台上，粘贴振动试验传感器（见图7），分别在x、y、z三个方向开展正弦振动试验，试验频率范围5～200 Hz，扫描速率2 oct/min，试验结果取数传天线上各测点响应相对于输入控制响应的放大倍数（见表 4）；其中放大倍数的定义与仿真模型中一致，以x方向振动试验结果曲线为例说明如图8所示。

图7 数传天线振动试验Fig.7 Vibration test of the deployable digital antenna

对比表2和表4的数据可知，仿真结果与试验结果基本一致，说明泡沫铝块的阻尼比取值较为合适；隔冲器对数传天线收拢状态的振动响应有较好的抑制作用，最大可将振动响应放大倍数降低一半。

表4 振动试验结果Table 4 Vibration test results

图8 x方向振动试验放大倍数Fig.8 Magnification in x direction of vibration test

4 结束语

本文针对卫星可展开附件的泡沫铝隔冲器可能降低附件收拢状态的模态频率及放大振动响应等问题，首次提出一种基于表层填充J-133常温胶的开孔泡沫铝块的扁平式隔冲器，并以某可展开数传天线为例开展泡沫铝隔冲器设计、分析与试验验证，结果表明：

1）泡沫铝隔冲器采用扁平式结构形式适合用于卫星可展开附件狭窄的设计空间和较高的刚度需求，而表层涂覆J-133常温胶，在兼顾多余物防护的同时也利于刚度的提升；

2）泡沫铝隔冲器未明显降低展开附件收拢状态的模态频率（前三阶不超过2.5 Hz，频率下降不超过 2%），且因其阻尼特性，使展开附件的振动响应得到较大程度衰减。

本文所述泡沫铝隔冲器已成功在轨应用，效果良好，其设计思路、研究方法和结论可适用于各类卫星可展开附件隔冲器的研制。

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