可刚化充气框架式太阳翼设计及振动特性分析

崔嘉鑫,于 东,刘文翔,史志鑫,苗常青*

(1.哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150001;2.哈尔滨工业大学机电学院机械设计系,哈尔滨 150001)

1 引言

太阳翼作为卫星、空间站等大型在轨服役航天器的重要组件之一,为航天器工作提供所需电力支持。随着航天器功能的不断扩展,对电力的需求也逐渐增大,但受发射体积和发射重量的限制,所能发射的太阳翼面积远不能满足航天器电力需求,这对航天器的发展造成很大局限[1-2]。

充气结构太阳翼是一种柔性复合材料制成的新型结构,具有折叠体积小、质量轻、可在轨展开成型为大型航天器结构的优点,在大型天线、卫星太阳翼[3-4]等空间大型结构具有广阔的应用前景[5]。

大面积太阳翼结构尺寸大,结构刚度和振动基频低,是一种典型的空间大挠度结构。在变轨、调姿等外力作用下,易产生持续振动,增大了航天器姿态控制的难度,且容易与其他部件产生共振,危害航天器的结构安全,将严重影响航天器在轨的安全运行以及正常服役工作[6]。

为减小太阳翼振动对航天器运行的不利影响,研究人员从抑制太阳翼结构振动角度展开研究。Ma 等[7]采用添加制动器的方式对太阳翼结构进行干预,以抑制振动;张金龙等[8]、胡军等[9]对抑制太阳翼运行时产生的振动进行了研究,有效降低了结构振动带来的隐患。然而,对于此类铰链式的太阳翼结构,在铰链连接处刚度会明显下降[10],仅从抑制其振动的角度并不能从根本上解决结构刚度低带来的问题;余建新等[11]研究了充气天线的结构振动特性,并分析了充气压力对模态参数的影响;谢军[12]对充气膜结构的褶皱对其振动特性的影响进行了研究,得出褶皱对结构刚度的影响规律。

针对大面积太阳翼需求,并考虑大型太阳翼结构刚度及振动特性等功能要求,本文提出一种可刚化的充气框架式太阳翼结构方案,并研制结构样机,开展折叠展开、结构刚化试验及振动测试试验,分析不同结构参数对充气框架式太阳翼振动特性的影响,为充气框架式太阳翼的研制及应用提供参考和技术支撑。

2 充气框架式太阳翼方案设计与分析

充气结构可柔性折叠,折叠体积小,与传统铰链式可展开太阳翼相比,不含机械铰链,可在轨充气展开并刚化成型,可靠性高,刚化后振动基频高,且不会由于机械铰链的引入而造成太阳翼基板连接处的刚度下降,在构建大面积太阳翼方面有显著的技术优势。基于充气结构技术,借鉴现有太阳翼结构方案,提出了一种采用可刚化充气框架作为展开和支撑结构的太阳翼结构方案。

2.1 方案设计

可刚化充气框架式太阳翼由充气框架和太阳电池基板构成,其中,太阳电池基板可采用传统的刚性基板,也可采用柔性基板;充气框架采用可刚化的充气管,形成支撑太阳电池基板的平面框架。充气管由柔性纤维复合材料制成,可柔性折叠,充气展开后可通过电加热、紫外刚化等方式实现结构刚化,从而在轨展开成型为具有足够结构刚度的太阳翼结构,其结构方案示意图如图1 所示。

图1 充气框架式太阳翼方案Fig.1 Scheme of inflatable-frame solar wing

太阳翼主体结构由可刚化充气框架和电池基板构成。可刚化充气框架由2 根充气管与两端连接横板构成,其中,该充气管可折叠并充气驱动展开,连接横板主要起到将太阳翼与航天器连接在一起的作用,其材质为刚性的轻质金属材料,如铝合金、钛合金等。电池基板与可刚化充气管之间采用可刚化柔性包带连接,增大了充气管与电池基板的连接刚度,避免电池基板产生局部振动。

为使充气框架式太阳翼具有更小的折叠包络尺寸,增大其折叠展开效率,且考虑到整个结构无需引入铰链、扭簧等展开及锁紧机构,单块太阳电池基板可设计为更小的尺寸,而不会引起结构的刚度在基板间产生明显的下降。

充气式支撑框架主要由充气管构成,充气管采用可刚化纤维复合材料制成,在未刚化时,充气管具有较大的柔性,便于结构的折叠。充气管管壁由内至外依次为气密层、刚化层、电热层等多层材料。刚化层之间设有电加热层,当太阳翼在轨充气展开成型后,通过电加热方式,实现充气框架的加热刚化。

2.2 振动特性分析

太阳翼是一种典型的空间大挠度结构,在变轨、调姿等外力作用下,易产生持续振动,增大了航天器姿态控制的难度,其振动特性对航天器在轨运行稳定性具有重要影响。

2.2.1 太阳翼结构数值模型

可刚化充气框架式太阳翼不含有弹簧、铰链等机械连接部件,其展开特性基本不受基板尺寸、折叠段数等的影响。基板尺寸可根据折叠尺寸要求进行较为灵活的设计,本文设计的太阳翼电池基板数目为6 块,如图2 所示。

图2 充气框架式太阳翼数值模型Fig.2 Numerical model of inflatable-frame solar wing

其中单块电池基板尺寸为 1120 mm ×635 mm×20 mm,基板与基板、基板与充气管之间均采用可刚化柔性纤维连接。充气管直径D=140 mm,厚度d=1 mm,材料为与芳纶纤维复合材料等密度、等强度的代用均质材料。

由于充气管和电池基板厚度尺度远小于其长度尺度,为简化计算,采用SHELL188 壳单元,其他部分均采用实体单元。为更接近太阳翼实际使用状态,边界条件设计为一端连接横板固定,另一端为自由边界。

为便于与传统铰链式太阳翼振动特性进行对比,本文参照文献[14]的铰链式太阳翼结构形式,采用充气框架式太阳翼相同结构尺寸,建立了铰链式太阳翼数值模型,如图3 所示。其中,铰链式太阳翼电池基板包含3 块铝蜂窝电池基板,单块尺寸为1120 mm×1270 mm×20 mm,基板间采用铰链和扭簧连接,一端为连接横板,尺寸为200 mm×1200 mm×5 mm,材料为铝合金。为简化分析,将电池基板简化为等刚度、等密度的均质等效板,将连接扭簧简化为等刚度的连接片。

图3 铰链式太阳翼数值模型Fig.3 Numerical model of hined solar wing

2.2.2 振动特性对比分析

对铰链式太阳翼和可刚化充气框架式太阳翼进行模态分析,得到了其振型及振动基频,图4 为其前三阶振型。可以看出,铰链式太阳翼前三阶均为弯曲振型,说明其抗弯刚度较低,这是由于其整体结构截面惯性矩小,且板间铰链造成了整体结构的刚度下降所致。充气框架式太阳翼前两阶为弯曲振型,第三阶为扭转振型,说明其抗弯刚度较高。这是由于刚化后的充气管为大直径薄壁结构,相同质量下,与实心结构相比,具有更高的抗弯刚度,且整体结构不含连接铰链,不会造成整体结构刚度的下降,这显著提高了充气框架式太阳翼的抗弯刚度及振动基频。

图4 2 种结构太阳翼振型及振动频率对比Fig.4 Comparison of mode and vibration frequency of two kinds of solar wing

图5 为可刚化充气框架式太阳翼(充气管直径为140 mm)与传统铰链式太阳翼的前三阶振动频率对比。可以看出,充气框架式太阳翼振动基频显著高于相同面积和质量的铰链式太阳翼。当充气框架式太阳翼充气管直径为140 mm 时,其振动基频是相同面积和质量的铰链式太阳翼的7.5 倍。

图5 刚化后充气框架式与铰链式太阳翼振动频率对比Fig. 5 Comparison of vibration frequency between inflatable-frame and hinged solar wing after rigidization

2.2.3 充气管直径对太阳翼振动特性影响

太阳翼充气框架由充气管构成,充气管刚化后使结构具有足够的刚度以及更高的振动基频。其结构尺寸尤其是充气管直径对结构刚度具有显著影响。

对不同直径充气管的充气框架式太阳翼结构振动特性进行分析,得到了充气管直径对其结构振动特性的影响规律。图6 为充气框架式太阳翼结构振动基频随充气管直径变化曲线。可以看出,可刚化充气框架式太阳翼振动基频随其充气管直径增加呈近似线性增加。当充气管直径为200 mm 时,太阳翼振动基频为2. 24 Hz,相较于相同面积和质量的铰链式太阳翼振动基频(0. 18 Hz),提升了约12. 4倍。这是因为增大充气管直径可显著提高其截面惯性矩,导致其整体抗弯刚度显著提高,从而显著提高了太阳翼的振动基频。

图6 充气管直径对太阳翼结构基频的影响Fig.6 The Influence of inflatable tube diameter on the fundamental frequency of solar wing

3 样机性能测试

3.1 折叠、展开及刚化试验

研制了可刚化充气框架式太阳翼结构样机,总尺寸为:1200 mm(宽)×3000 mm(长)×300 mm(厚)。太阳翼结构样机共包含10 块电池基板,单块基板尺寸为1000 mm×300 mm×20 mm,电池基板及太阳电池片采用代用材料。电池基板通过可刚化包布与充气框架连接,充气框架由2 根充气管与两端连接横板构成,其充气管长为3000 mm,直径为100 mm,壁厚为1 mm,材料为可刚化纤维复合材料。太阳翼两端连接横板尺寸为200 mm×1200 mm×5 mm,材料为铝合金。

开展了太阳翼样机折叠、充气展开及结构电加热刚化试验。太阳翼样机采用Z 型折叠方式进行折叠,并通过充气压力驱动太阳翼进行充气展开,其整个样机折叠后的尺寸为1200 mm×300 mm×300 mm,其折叠状态及展开过程状态照片如图7 所示。

图7 太阳翼结构样机折叠及充气展开Fig.7 Folding and inflatable deployment of prototype solar wing structure

展开成型后的太阳翼结构进行了电加热刚化,展开并刚化后的充气框架式太阳翼如图8所示。

图8 展开并刚化成型的太阳翼结构样机Fig.8 Prototype solar wing structure developed and rigidly formed

上述试验验证了可刚化充气框架式太阳翼的折叠、充气展开及结构电加热刚化的可行性。可刚化充气框架式太阳翼可柔性折叠,折叠效率高(≥10),由于结构中不使用铰链结构,避免了展开过程中的意外卡住、锁死等问题,显著提高了其展开过程的平顺性、可靠性,展开扰动小。展开刚化后的薄壁充气管质量很轻,具有很高的截面惯性矩,其抗弯刚度得到了显著提升[13],并显著提高其振动基频。

3.2 振动特性测试

研制了可刚化充气框架式振动试验样机,长度为2000 mm,宽度为1200 mm,具有4 块电池基板,尺寸为470 mm×805 mm。两侧的可刚化充气管直径为100 mm,壁厚为1 mm,与4 块电池基板通过可刚化柔性包带实现固定连接。

为了更接近太阳翼在轨服役状态,将样机边界条件设计为一端与地面固定支撑,另一端为自由端。将试验样机固定于地面上,呈竖直状态,底部通过地脚螺栓连接,与地面形成固定支撑边界条件,同时,该固定方式还具有降低重力对固定端连接强度及结构振动效果产生的影响。

考虑到样机自身结构特点,本次试验设计采用锤击法对试验样机的振动基频进行测试,即利用在端部装有高灵敏度力传感器的激振力锤,对试验样机施加瞬时的冲击力激励;通过布置在试验样机上的加速度传感器,捕获结构的响应信号;利用动态分析仪对力锤的输入激励信号及加速度传感器的响应信号进行处理,得到振动试验样机的各阶振动频率。试验原理如图9 所示。

图9 锤击法测量结构振动基频原理图Fig.9 Schematic of hammer-strike-method for measuring fundamental frequency of structural vibration

在试验样机表面不同位置,共设计有6 个测点,用来施加冲击力激励。布点如图10 所示。试验设备型号如表1 所示。

表1 试验设备型号表Table 1 Table of test equipment modles

图10 样机固定、传感器布置及锤击激励点示意图Fig. 10 Schematic diagram of prototype fixation,sensor layout and hammer excitation point

由于结构的固定形式为典型的悬臂梁,其主要振动幅值在x方向(即电池基板的法线方向)上较为显著,因此本次试验主要在x方向施加力锤激励,并记录x方向上的振动幅值。整个试验系统如图11 所示。

图11 试验样机振动测试试验系统布置Fig. 11 Arrangement of vibration test system of test prototype

3.3 测试结果分析

利用力锤,对试验样机上所设计的每个锤击点分别进行3 次冲击力激励,并对3 次激励取平均值,得到了6 个点激励下的结构振动幅值-频率曲线,如图12 所示。可以看出,自激振施加后,频率在约7.5 Hz 时,激振频率与结构产生了第一次明显的共振峰,且6 个测点的激振均在该值附近,因此可以得出,本文所设计的可刚化充气框架式太阳翼结构在一端固定、一端为自由的边界条件下,其结构振动基频约为7.5 Hz。

图12 各测点x 方向振幅-频率曲线Fig.12 Amplitude-frequency curve in x direction of each measurement point

可以注意到,在一阶基频后,其后续各阶振动频率受干扰产生扰动较为明显,这可能是由于试验过程中试验环境受到了不同来源的干扰,如周边电器、环境噪声等。后续进行测试时可以选择安静时段,且对采集系统进行接地处理,降低电磁干扰的影响。

4 结论

1)可刚化充气框架式太阳翼可实现柔性折叠,折叠体积小,不含机械铰链,展开可靠性高。

2)可刚化充气框架式太阳翼结构刚度和振动基频高,且提高充气管直径可显著提高充气式太阳翼的结构刚度和振动基频。在保持太阳翼总质量和其他部分尺寸不变的情况下,太阳翼充气管直径为140 mm 时,其振动基频是相同面积和质量的铰链式太阳翼的7.5 倍;充气管直径为200 mm 时,其振动基频是相同面积和质量的铰链式太阳翼的12.4 倍。

3)通过对所研制的振动试验样机(2 m×1.2 m)进行振动基频的测试,其结构振动基频约为7.5 Hz。