張正峰，葉 青，呂 鵬，李 青，于杭健

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

橡膠減振墊在航天器中的應(yīng)用及驗(yàn)證

張正峰，葉 青，呂 鵬，李 青，于杭健

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

文章針對(duì)某航天器振動(dòng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的自鎖閥及其安裝支架振動(dòng)響應(yīng)放大問題，提出了一種采用橡膠減振墊的解決措施，給出了增加減振墊后設(shè)備安裝的剛度模型及其分析，并通過振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用橡膠減振墊可以較好地解決部分航天器上儀器設(shè)備在振動(dòng)環(huán)境條件下響應(yīng)超標(biāo)的問題，措施簡(jiǎn)單有效，滿足使用要求，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

航天器；橡膠減振墊；剛度模型；理論分析；自鎖閥；振動(dòng)試驗(yàn)；振動(dòng)響應(yīng)

0 引言

運(yùn)載火箭在發(fā)射過程中產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲及沖擊環(huán)境是航天器上儀器設(shè)備需要首先應(yīng)對(duì)的重要問題。在航天器工程設(shè)計(jì)過程中，由于受航天器主承力結(jié)構(gòu)特性、單機(jī)產(chǎn)品及安裝支架重量和尺寸大小的限制，單機(jī)產(chǎn)品部件需要承受較為惡劣的力學(xué)環(huán)境，為此需采取一定的減振措施。常規(guī)的減振方式有使用彈簧阻尼元件、橡膠減振墊等。其中，橡膠減振墊可通過變形把輸入的能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，在沖擊過后再將這部分能量釋放出來，具有良好的抗振動(dòng)和沖擊性能，且能夠滿足高真空、高低溫等惡劣空間環(huán)境下的使用要求，已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

本文針對(duì)某航天器在振動(dòng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的氣路自鎖閥振動(dòng)響應(yīng)放大問題，開展了利用橡膠減振墊進(jìn)行減振的分析與驗(yàn)證工作。

1 問題描述及橡膠減振墊的應(yīng)用背景

在某型號(hào)航天器的研制過程中，受限于星上的安裝空間，某氣路自鎖閥先通過底部安裝螺釘緊固在橋式安裝支架上，再用螺釘固接于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板上，如圖1所示。

圖1 自鎖閥安裝結(jié)構(gòu)Fig. 1 Installation of the self-locking valve

為驗(yàn)證自鎖閥自身性能對(duì)力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)其開展了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)如圖2所示。在依次進(jìn)行的3個(gè)方向的試驗(yàn)中，自鎖閥通過了x向、y向的試驗(yàn)考核，但未通過z向的試驗(yàn)考核——振動(dòng)導(dǎo)致閥門的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生了切換。通過對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)曲線（見圖3）進(jìn)行判讀，當(dāng)總均方根加速度輸入為 15.8g時(shí)，自鎖閥在y方向響應(yīng)最大（112.3g），x向和z向的響應(yīng)分別為19.4g和96.9g。在對(duì)自鎖閥及安裝支架進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)（沖擊譜加速度最大為1000g，Q=10）過程中，自鎖閥也未能通過y向和z向的試驗(yàn)考核。

圖2 自鎖閥隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)Fig. 2 The self-locking valve in the random vibration test

圖3 自鎖閥隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)曲線（減振前）Fig. 3 Random vibration reponse of the self-locking valve(before vibration reduction)

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)：由于支架與自鎖閥相互影響，使得二者在高頻處的響應(yīng)能量較大，從而令自鎖閥產(chǎn)品狀態(tài)發(fā)生改變；通過對(duì)不同形式的自鎖閥支架進(jìn)行力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在同種結(jié)構(gòu)形式的情況下，加強(qiáng)或改進(jìn)支架對(duì)于降低振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)無明顯效果。

針對(duì)此問題，需采取措施降低自鎖閥在振動(dòng)情況下的力學(xué)響應(yīng)，即提高安裝支架自身或安裝界面處的阻尼系數(shù)。通過對(duì)不同減振方案的分析對(duì)比，最簡(jiǎn)單有效的是橡膠減振墊的減振方式，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 橡膠減振墊的剛度模型與材料選取

在自鎖閥安裝支架下方設(shè)置橡膠減振墊，增加橡膠墊后的安裝形式如圖4所示，該安裝形式可簡(jiǎn)化為由阻尼系數(shù)為C的阻尼器和剛度為K的線性彈簧組成的振動(dòng)系統(tǒng)[5]。

圖4 自鎖閥安裝橡膠減振墊后的形式與簡(jiǎn)化模型Fig. 4 Installation of the self-locking valve with rubber absorber and the simplified model

在簡(jiǎn)諧激振力F(t)的作用下，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為

方程的特解為

自鎖閥的響應(yīng)為為衡量減振效果，引入主動(dòng)減振系數(shù)η，其值為響應(yīng)F1與輸入激勵(lì)F0之比

對(duì)質(zhì)量為M的系統(tǒng)，其固有頻率fn和臨界阻尼Cc的表達(dá)式為

由以上各式可知，當(dāng)λ＞時(shí)，減振系數(shù)η＜1，能夠起到減振作用，這就要求橡膠減振墊的K值較小。通過對(duì)多種不同橡膠材料的比較，采用某航天研究所生產(chǎn)的一種常態(tài)硅橡膠材料 ZN-35制成硅橡膠墊。該類橡膠材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有良好的減振緩沖性能，能夠耐受航天器在軌期間的真空、粒子輻射等環(huán)境，滿足使用要求。ZN-35硅橡膠材料性能指標(biāo)如表1所示。

表1 ZN-35硅橡膠材料性能指標(biāo)Table 1 Performance index of the ZN-35 rubber

3 應(yīng)用橡膠減振墊后效果驗(yàn)證

對(duì)應(yīng)用了橡膠減振墊的自鎖閥及安裝支架開展同量級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，自鎖閥狀態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)生開關(guān)切換現(xiàn)象，各方向試驗(yàn)均順利通過。對(duì)試驗(yàn)后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀可知，自鎖閥在x、y、z這3個(gè)方向上的總均方根加速度響應(yīng)值如表2所示，z方向響應(yīng)最大（47.0g），振動(dòng)響應(yīng)曲線如圖5所示。通過表2可以看出：x向響應(yīng)有所增大，因?yàn)榘惭b支架跨距較小，增加橡膠墊后導(dǎo)致頂端響應(yīng)放大，但仍在自鎖閥可承受范圍之內(nèi)；y向、z向響應(yīng)明顯減小，振動(dòng)響應(yīng)較減振前分別減小 62%和51%，特別是在高頻能量的抑制方面，減振效果明顯。試驗(yàn)過程中，閥門的開關(guān)狀態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)生切換現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期效果。

表2 減振前后自鎖閥隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)值對(duì)比Table 2 Comparison of the reponses of the self-locking valve in the random vibration test

圖5 自鎖閥隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)曲線（減振后）Fig. 5 Random vibration reponse of the self-locking valve(after vibration reduction)

同樣的，在重新對(duì)自鎖閥及安裝支架進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)中，自鎖閥均順利通過各方向的試驗(yàn)考核，沖擊響應(yīng)量級(jí)明顯降低。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)航天器振動(dòng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的自鎖閥振動(dòng)響應(yīng)放大問題，分析了增加橡膠減振墊后的剛度模型，并通過試驗(yàn)對(duì)減振效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明采用橡膠減振墊是一種簡(jiǎn)單有效的措施，滿足在軌使用要求。本方法對(duì)于解決其他航天器上儀器設(shè)備在振動(dòng)和沖擊環(huán)境條件下響應(yīng)超標(biāo)的問題具有一定的推廣借鑒作用。

（

）

[1] 汪元貴, 雷勇軍. 飛行過程中慣導(dǎo)系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析[J]. 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004,17(3): 39-41 WANG Y G, LEI Y J. Random vibration analysis of INS in flight[J]. Journal of Hunan Institute of Science and Technology(Natural Science), 2004,17(3): 39-41

[2] 張志, 張兆會(huì), 董森, 等. 橡膠雙層減振與隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2013, 32(23): 126-129 ZHANG Z, ZHANG Z H, DONG S, et al. Shock response of a rubbeer double-deck vibration isolation system[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(23):126-129

[3] 肖俊恒. 減振橡膠設(shè)計(jì)方法的研究[J]. 中國鐵道科學(xué),2001, 22(6): 111-116 XIAO J H. Study on engineering design of shock absorption rubber[J]. Chinese Railway Science, 2001,22(6): 111-116

[4] 李中郢, 盧正人. 航天器用新型金屬橡膠減振器[J].上海航天, 2005, 21(5): 58-61 LI Z Y, LU Z R. New all-metal damper for spacecraft[J].Aerospace Shanghai, 2005, 21(5): 58-61

[5] 劉延柱, 陳文良, 陳立群. 振動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998: 11-12

Application and verification of rubber absorber in spacecrafts

ZHANG Zhengfeng, YE Qing, Lü Peng, LI Qing, YU Hangjian
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

This paper studies the response amplification of the self-locking valve during the spacecraft vibration test, proposes a damping method using rubber absorbers, and analyzes it with a stiffness model of the valve installed with the rubber absorbers. The effectiveness of this method is verified by the vibration test, and it is shown that with the rubber absorbers, the response amplification problem can be solved for some instruments of the spacecraft in the vibration environment. This solution is simple and effective, and can meet the application requirements, with a good engineering value.

spacecrafts; rubber absorber; stiffness model; theoretical analysis; self-locking valve; vibration test; vibration responses

TB535+.1

A

1673-1379(2017)05-0549-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.017

2017-06-15；

2017-09-04

國家重大科技專項(xiàng)工程

張正峰, 葉青, 呂鵬, 等. 橡膠減振墊在航天器中的應(yīng)用及驗(yàn)證[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5): 549-552

ZHANG Z F, YE Q, Lü P. et al. Application and verification of rubber absorber in spacecrafts[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 549-552

（編輯：馮露漪）

張正峰（1979—），男，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事深空探測(cè)航天器總體設(shè)計(jì)及研發(fā)工作。E-mail:zhfengzh@163.com。