宽频角振动地面模拟试验设备的研制

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1、航天器环境工程第30卷第3期322SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年6月宽频角振动地面模拟试验设备的研制邢志钢1，邢建伟1，王立2，郑钢铁1(1．清华大学航天航空学院，北京100084：2．北京控制工程研究所，北京100080)摘要：为了解并减小探月着陆系统之敏感器容易受到宽频角振动影响的任务风险，有必要进行宽频角振动地面模拟试验。文章首先提出了宽频角振动的振动转换结构和测量方法，在此基础上完成了试验设备的研制，之后针对探月着陆系统成像敏感器遭遇的角振动环境进行了地面模拟测试。测试结果表明：该试验设备的宽频角振动模拟频率范围为0～2000Hz，控制

2、精度达到士15％(2a)，同时还可模拟包括平移和转动在内的着陆系统刚体运动。该设备已用于敏感器在角振动环境下的地面模拟试验验证。关键词：探月着陆系统；光学敏感器；地面模拟设备；宽带随机振动；角振动试验中图分类号：V416；0329文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)03-0322-06DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2013．03．0180引言在深空探测和地球遥感探测的过程中，由于发动机、制冷机、飞轮等扰振源的存在，会对光学成像敏感器的工作产生扰动。例如，我国探月着陆系统在实施着陆过程中，7500N长喷管变推力发动机工作时，将会产生0～2000

3、Hz的宽频振动，这种振动同时包含线振动和角振动。敏感器成像质量对角振动环境极为敏感[1-3]。为了识别并减缓任务风险，必须开展成像敏感器角振动环境下的地面验证试验，测试敏感器在0～2000Hz的宽频角振动下的工作性能。目前，振动台试验技术已在航天器动力学环境试验中得到了广泛的应用14巧J，出现了可以模拟角振动的多轴振动台"1和角振动台∽]，然而它们的工作频率一般在500Hz以下。美国Eglin空军基地的高频振动台是目前公开报道的工作频带最宽的角振动模拟系统，但其最高工作频率也只能达到1000Hz【l01。这说明，应用传统的振动台系统很难实现宽频角振动，特别是高频角振动的模拟。而且，在曝光

4、时间内，高频角振动下物像的位移量往往会大于低频角振动下的位移量，从而更容易导致图像模糊。因此，为了验证探月着陆系统在角振动环境下的工作性能，宽频角振动特别是高频角振动的地面模拟是一个必须要解决的问题。本文首先提出了基于振动转换结构的宽频角振动激励方法，利用其频响函数的特点来实现宽频角振动的激励；然后提出了宽频三轴角振动测量方法，利用线加速度计组合来测量宽频三轴角加速度；最后在这两者的基础上，研发了宽频角振动模拟试验设备，并且对探月着陆系统成像敏感器开展了0～2000Hz的宽频角振动环境模拟试验测试。1振动转换结构原理与角振动激励相比，线振动激励的应用已非常普遍，宽频线振动激励方法也很成熟

5、。因此，本文提出了通过振动转换结构将宽频线振动转换为宽频角振动的方法。其原理是：寻找一种结构，使得在较宽的频率范围内由线振动输入至角振动输出的频响函数都保持合理的幅值。这样，在对振动转换结构频响函数进行辨识的基础上，就可以根据所需的宽频角振动目标功率谱计算得到线振动输入，从而实现宽频角振动的模拟。需要指出的是，振动转换结构由线振动输入至角振动输出的频响函数幅值既不能太大，也不能过小。如果频响函数幅值过大，很小的线振动输入就会引起很大的角振动输出，由各种本底噪声源(振动控制仪、功率放大器、收稿日期：2013．02．27；修回日期：2013-05—09基金项目：基础保障条件预先研究项目作者简

6、介：邢志钢(1986一)，男，博士研究生，研究方向为结构振动试验和动力学分析。E-mail：xz908@mails．tsinghua．edu．ca。第3期邢志钢等：宽频角振动地面模拟试验设备的研制323电磁干扰等)引起的某频段角振动输出就有可能超出目标功率谱；如果频响函数幅值太小，若又要满足角振动目标功率谱要求，则需要线振动输入足够大，这样就容易导致激振器输出超限。通过多次计算和反复试验，本文提出了一种满足频响函数幅值要求的振动转换结构，如图1所示。图1振动转换结构示意Fig．1Sketchmapofvibrationtransfers仃ucnlre图1所示的振动转换结构由激振器、柔性铰

7、、角振动台、角加速度计和可调动力消振器组成。如果不考虑可调动力消振器，该振动转换结构可以近似认为是一个单自由度系统。在不同频率下的振动转换原理和频响函数有所不同，对振动转换结构的要求“因频而异”。1)目标角振动频率明显低于固有频率设其固有频率为Q当目标角振动频率明显低于力时，振动转换结构发生准静态变形，将激振器输入的线振动转换为角振动台输出的角振动，转换原理如图2所示，相应的频响函数(由线激振力至角位移)如图3所示。振动转换结构图2