某衛(wèi)星微振動建模與仿真

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1、航天器環(huán)境工程第28卷第1期36SPACE(1RAFTENVIRONMENTENGINEERING20I1年2門某衛(wèi)星微振動建模與仿真蔣國偉，周徐斌，中軍烽，顧亦磊，杜冬，孔祥森(上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240)摘要：針對某衛(wèi)星微振動力學(xué)環(huán)境，參考IME顫振分析建模方法，建立了一種衛(wèi)星剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)微振動仿真模型，并通過地面試驗驗證了利用微振動仿真模型預(yù)測衛(wèi)星在軌微振動響應(yīng)的有效性，闡述了衛(wèi)星在軌微振動響應(yīng)仿真計算預(yù)測方法．利用該微振動仿真模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測衛(wèi)星在軌微振動響應(yīng)以及微振動傳遞特性。關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；微振動；耦合動力學(xué)；建模中

2、圖分類號：v416．2：V411．8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673—1379(2011)01-0036-05DoI：10．39690．issn．1673．1379．2011．01．0070引言微振動是指航天器在軌運(yùn)行期間，星上運(yùn)動部件周期性運(yùn)動或因變軌、冷熱交變等因素引發(fā)的擾動使星體產(chǎn)生一種幅值較小、頻率較高的顫振響應(yīng)。對高精度航天器，這種微振動將嚴(yán)重影響有效載荷指向精度、穩(wěn)定度和成像質(zhì)量，降低分辨率等重要性能指標(biāo)【l。2】，因此，在高精度航天器研制過程中，需要特別考慮微振動的影響。本文借鑒國內(nèi)外研究經(jīng)驗，分析研究了某衛(wèi)星面臨的微振動力學(xué)環(huán)境

3、，建立了一種剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)微振動仿真模型，通過地面微振動試驗驗證仿真模型后，再利用仿真模型預(yù)測衛(wèi)星在軌的微振動響應(yīng)以及微振動傳遞特性。l衛(wèi)星微振動力學(xué)環(huán)境分析衛(wèi)星微振動力學(xué)環(huán)境主要包括星載各類轉(zhuǎn)動部件高速轉(zhuǎn)動、大型可控構(gòu)件驅(qū)動機(jī)構(gòu)工作、大型柔性構(gòu)件進(jìn)出陰影冷熱交變誘發(fā)，以及變軌調(diào)姿期間推力器工作等產(chǎn)生的微振動【2】。某衛(wèi)星是我國第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星(如圖l所示)，裝載有對微振動極為敏感的高精度遙感探測儀。在軌工作過程中，載荷掃描鏡驅(qū)動機(jī)構(gòu)、飛輪、陀螺等運(yùn)動部件的運(yùn)動將會引起衛(wèi)星微振動，影響衛(wèi)星載荷的指向精度和成像質(zhì)量。大量研究表明，動量輪

4、(反作用輪)工作時產(chǎn)生的擾動是影響航天器成像質(zhì)量的主要擾動源IjJ，Eyerman和Shea[3】等人認(rèn)為動量輪等高速轉(zhuǎn)動部件對成像質(zhì)量的影響最大：結(jié)合Bialke、Melody、Kim、Castles和James／描J等人及“哈勃”望遠(yuǎn)鍘川的研究成果，通過對圖l所示衛(wèi)星的力學(xué)環(huán)境的分析可以推測，引發(fā)該衛(wèi)星微振動的主要因素有：飛輪、垂直探測儀和掃描輻射計的運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動或平動。圖l某衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1Schematicdiagramofasatellite’sStlalcture根據(jù)微振動力學(xué)環(huán)境或者分析環(huán)境對象的不同，微振動力學(xué)模型的建

5、立也應(yīng)不同?，F(xiàn)階段，某衛(wèi)星的微振動分析主要考慮星上運(yùn)動部件引發(fā)的瞬態(tài)加速度和穩(wěn)態(tài)加速度11Ⅲ，即針對運(yùn)動部件擾動引起的微振動響應(yīng)建立機(jī)械動力學(xué)微振動仿真模型。2微振動力學(xué)模型建模目前，比較成熟的集成建模軟件系統(tǒng)有M11r的DOCS和NASA的IME，其中，IME更具實用性，收稿日期：2010-09-03：修回日期：2010-10-07基金項目：中國航天八院基金資助項目作者簡介：蔣國偉(198卜)，男，碩士學(xué)位，主要從事衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計和動力學(xué)仿真分析及優(yōu)化工作；E-mail：jgw0203@163．c,om．周徐斌(197孓_)，男，研究員，

6、碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為航天器設(shè)計．第l期蔣國偉等：某衛(wèi)星微振動建模與仿真37其主要分析模塊之一為顫振分析(JitterAnalysis)模塊”12】。本文參考IME顫振分析建模思路，根據(jù)某衛(wèi)星微振動力學(xué)環(huán)境特點(diǎn)，建立衛(wèi)星機(jī)械動力學(xué)微振動仿真模型。經(jīng)過對星上擾動源特點(diǎn)的分析，確定了某衛(wèi)星的建模思路：先建立部件級擾動力學(xué)模型，然后將部件級擾動力學(xué)模型與整星模型耦合建模。為準(zhǔn)確描述衛(wèi)星微振動及其傳遞特性，將擾動源設(shè)定為剛性體、其他部分作為柔性體建模，建立衛(wèi)星剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)微振動仿真模型。具體建模過程如圖2所示。圈孫寸l橫卷試驗敦{墾廁堰匿匐讎l轉(zhuǎn)動特

7、忭及擰制模式l7lI’I‘。茹碥盈■!ADAMs◆1<7剛震藕合多體動力學(xué)模喇．-_L叫FleI叫L蘭竺虬竺疃業(yè)塑竺蠶豇雨夔重砬亟再麗琢ir麗圖2微振動力學(xué)模型建立過程Fig．2Themodelingprocedureofmicro-vibrationdynamics在建模過程中，需要考慮的主要因素如下：1)飛輪擾動主要是由于輪子質(zhì)量分布不均引起的靜不平衡和動不平衡造成的，擾動模型要準(zhǔn)確描述擾動的實際情況Il31。在飛輪實際安裝位置處建立飛輪數(shù)學(xué)模型，根據(jù)飛輪研制單位提供的飛輪數(shù)據(jù)賦予數(shù)學(xué)模型實際飛輪的物理特性。飛輪的擾動參數(shù)包括頻率范圍、幅值

8、級別、作用在結(jié)構(gòu)上的位置和方向【2】，其中，幅值級別可用飛輪靜不平衡量和動不平衡量，即質(zhì)心偏心及慣性積來描述。2)振源運(yùn)動部件為剛性體，傳遞路徑為柔性