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1、航天器振动试验的频率漂移问题综述Vo1.14NO.458航天器工程SPACECRAFTENGINEERING第14卷第4期2005年12月航天器振动试验的频率漂移问题综述薛宏伟林益明刘天雄(中国空间技术研究院总体部,北京100094)摘要卫星结构应以足够的强度,刚度和精度支持星上有效栽荷和其他分系统的正常工作,其中刚度要求结构的基频大于规定值,或结构的变形小于规定值.航天器设计完成后,需要通过力学试验验证结构的固有频率是否满足设计要求,验证在力学环境中结构的整体刚度是否发生改变.近年来一些型号在随机振
2、动试验后,通过低频扫描试验表明,结构出现了频率向下漂移的现象.该文对各类文献中提到的频率漂移情况进行了归纳,对导致频率漂移的原因作了初步的分析.关键词航天器,振动试验,随机振动,固有频率,频率漂移.引言固有频率是卫星结构的固有特性,尤其是基频,是航天器设计的重要指标.如果卫星在振动试验中出现频率改变,特别是不可恢复的频率改变,说明整星的动态特性发生了变化,可能给卫星正常发射和在轨运行带来问题,应引起高度的重视.在以往的卫星振动试验中,曾出现过随着载荷量级逐步增大导致固有频率连续降低的现象,定量级的随机
3、振动试验前后检测到基频不一致的现象,系统的固有频率与试验前相比一般有所下移,这两种现象都称为频率漂移.不可恢复的频率漂移改变了结构的动态特性,增大了航天器结构在复杂力学环境中的不可预料性和不可控制性,即使是可恢复的频率漂移,也需要在设计中控制漂移的幅度.从突出刚度设计的原则出发,卫星设计中必须保证整星的固有频率在其经历的各种复杂力学环境中频率漂移在允许范围之内.因此,航天器结构的这种频率漂移,引起了国内外同行的高度重视,对于其产生的机理也在积极的探索中.引起频率漂移的原因是多方面的,这里只对近来国内外
4、出现的频率漂移现象进行分析整理,对引起频率漂移的原因进行初步探索.1国外频率漂移现象及研究频率漂移现象曾出现在我国及国外的一些航天器振动试验中,如美国NASA发向土星的卡西尼号(Cassini)探测器,在进行模态试验时,曾发现有很大幅度的频率漂移[,.意大利AIT实验室对大面积伽马射线天文望远镜GammaRayLargeAreaSpaceTelescope—GLAST)结构的随机振动试验过程中,也发现了频率向下漂移,并且峰值有扩散现象.1.1卡西尼探测器的频率漂移美国NASA的卡西尼土星探测器是JPL
5、(JetPropulsionLaboratory)负责设计和试验的大型航天器项目.整个航天器重6.5t,于1997年发射,在经过了7年的长途旅行后,2005年1月,将惠更斯(Huygens)登陆舱成功地释放到了土卫6上,向地球发回了土卫6的大量珍贵资料.然而,这个航天器在1995年的模态试验中,发现随着激振器推力量级的逐级增大,频率连续向低频漂移,引起JPL设计者的高度关注.卡西尼探测器在模态试验中,随着激励载荷量级的逐步增加,惠更斯舱段的固有频率连续降低,在10%第4期薛宏伟等:航天器振动试验的频率
6、漂移问题综述59的极限载荷下,频率就比未加载前下降了5%.最后从5dB时的21Hz降到极限载荷下的18Hz.纵向模态的频率值比最初降低了15%,具体的实验数据如图1所示.针对出现的问题,JPL在卡西尼结构模态试验的基础上开发了与试验模态相吻合的有限元模型.利用相对精确的有限元模型,进行载荷及振动过程中出现频率漂移原因的分析.NASA刘易斯中心对卡西尼号有限元模型的lIrl动力分析的研究指出,造成频率漂移的原因是偏移}=间隙(off—gapping).对间隙单元仿真分析,其结七果与试验数据符合得非常好_
7、2],说明偏移间隙使惠}_更斯结构连接出现非线性动力特性,这是造成频率主lL漂移的直接原因.同时指出,如果系统是线性系蓦E统,则所有的曲线都应该与5dB的曲线重合.但}.是由于系统具有非线性特性,当载荷量级增大时,L系统的特征频率随载荷连续降低,频率点的峰值响I应也随着下降,如图1所示.1根据有限元分析得到的结果,JPL对其设计进行了改进,并于1996年1月由NASA专门对探测图1卡西尼模态试验中的频率漂移现象器在高载荷量级下进行了动力学试验,试验结果表明,消除了偏移间隙因素的惠更斯探测器未出现频率漂
8、移现象.1.2间隙引起的频率漂移日本航天研究机构的NobukatsuOkuizumi和M.C.Natori对红外空间天文卫星ASTRO—F的结构进行了详细的对间隙引起频率漂移的数值模拟_3].简化后的计算模型如图2所示.仅考虑在一z方向纵向激励和方向的侧向激励,模型的运动方程可以简化为fMz+~II+C13一(z,z,0,)=0^+c22乏一F(,z,0,￡)=一Mg(1)lJ+C31+C330一(,z,0,￡)=0'.If州体/l刚体/一/J一j
