折叠式柔性结构振动主动控制仿真实验系统

　　随着航天技术的发展,如空间大型多翼太阳能帆板等折叠式柔性结构在航天飞行器上的应用越来越多[1,2]。由于航天飞行器的机动、折叠结构的展开等因素都可使这类结构产生大幅度的振动,同时这类结构本身阻尼小,又运行于几乎无外阻的太空环境中,如果不采取振动控制措施,这种振动就会持续很长时间。这不仅影响航天器的工作精度,还将使结构产生过早的疲劳破坏,影响结构使用寿命。因此,这类结构的振动控制问题受到了广泛的重视,并取得了大量的研究成果。但由于运行环境的特殊性,使得这类结构的振动主动控制实验研究非常困难。而实验研究在验证理论结果、探索实用化道路等方面都具有不可替代的作用。在进行这类结构的振动主动控制理论研究的同时,还应加强实验研究。因此,在实验室里对这种结构的特殊运行环境进行模拟,建立折叠式柔性结构振动主动控制仿真实验系统具有重要的意义。

　　1　系统的基本功能

　　针对折叠式航天柔性结构的特点和运行环境,实验系统必须具备以下功能:①能模拟太空中失重和低外阻的运行状态;②能模拟航天器本体并实现本体的机动,以模拟航天器的姿态调整,并激发柔性体的振动;③能模拟折叠式柔性结构及其展开过程;④能对柔性结构的振动进行主动控制。因此,实验系统的建立主要有两个方面的工作:首先是对航天器及其运行环境进行模拟,其次是建立柔性结构振动主动控制系统。前者包括选用适当结构来模拟航天器本体和折叠式柔性结构,建立适当的机构模拟失重和悬浮的运行环境,建立本体驱动机构以实现本体的姿态调整并对其姿态角进行实时测量,建立折叠式柔性结构的展开机构,并使整个模拟系统能在程序控制下运行;而后者包括建立柔性结构振动传感系统、建立振动控制驱动系统、选择控制器。因此,整个系统应有如图1所示的基本功能。

　　2　航天器及折叠式柔性结构模拟系统

　　2.1　航天器本体及其运行环境的模拟

　　因为重力和空气阻力的影响,要在实验室里完全模拟航天器及其运行环境是非常困难的。但在研究柔性结构振动主动控制时,空气阻力对研究对象的力学状态不会产生根本性的影响,因而克服重力的影响就显得特别重要。经过比较,气浮工作方式是较好的选择。首先空气浮力能抵消重力的影响;其次以空气为接触介质产生的摩擦极小,几乎不会附加新的约束和阻尼。因此,可以选用气浮台来模拟太空的失重和低阻尼的工作环境。同时,气浮台的主轴还能模拟航天器的本体。

　　2.2　本体在悬浮状态下的机动

　　为了模拟航天器姿态调整时所引起的柔性结构的振动及振动对航天器的影响,需要实现气浮台主轴在气浮状态下的驱动。如果采用传统的电机-齿轮传动机构来驱动主轴,必然会给整个系统带来附加约束,从而就会破坏其自由悬浮的工作状态。因此,传统的驱动方式不适用。考虑到反作用轮是航天器常用的一种机动方式,在设计实验系统时也可以选用反作用轮的方式来实现对主轴的驱动。将驱动子系统安装在气浮台主轴上,使其与主轴成为一个整体。当主轴处于悬浮状态时,可以近似地认为整个系统满足动量矩守恒的条件。于是,当驱动系统的运动部件转动时,气浮台主轴及安装在上面的柔性结构等就会反方向转动,从而在不引入附加约束的条件下实现本体的机动。