某卫星微振动建模与仿真

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1、航天器环境工程第28卷第1期36SPACE(1RAFTENVIRONMENTENGINEERING20I1年2门某卫星微振动建模与仿真蒋国伟，周徐斌，中军烽，顾亦磊，杜冬，孔祥森(上海卫星工程研究所，上海200240)摘要：针对某卫星微振动力学环境，参考IME颤振分析建模方法，建立了一种卫星刚柔耦合多体动力学微振动仿真模型，并通过地面试验验证了利用微振动仿真模型预测卫星在轨微振动响应的有效性，阐述了卫星在轨微振动响应仿真计算预测方法．利用该微振动仿真模型能较准确地预测卫星在轨微振动响应以及微振动传递特性。关键词：卫星；微振动；耦合动力学；建模中

2、图分类号：v416．2：V411．8文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)01-0036-05DoI：10．39690．issn．1673．1379．2011．01．0070引言微振动是指航天器在轨运行期间，星上运动部件周期性运动或因变轨、冷热交变等因素引发的扰动使星体产生一种幅值较小、频率较高的颤振响应。对高精度航天器，这种微振动将严重影响有效载荷指向精度、稳定度和成像质量，降低分辨率等重要性能指标【l。2】，因此，在高精度航天器研制过程中，需要特别考虑微振动的影响。本文借鉴国内外研究经验，分析研究了某卫星面临的微振动力学环境

3、，建立了一种刚柔耦合多体动力学微振动仿真模型，通过地面微振动试验验证仿真模型后，再利用仿真模型预测卫星在轨的微振动响应以及微振动传递特性。l卫星微振动力学环境分析卫星微振动力学环境主要包括星载各类转动部件高速转动、大型可控构件驱动机构工作、大型柔性构件进出阴影冷热交变诱发，以及变轨调姿期间推力器工作等产生的微振动【2】。某卫星是我国第二代静止轨道气象卫星(如图l所示)，装载有对微振动极为敏感的高精度遥感探测仪。在轨工作过程中，载荷扫描镜驱动机构、飞轮、陀螺等运动部件的运动将会引起卫星微振动，影响卫星载荷的指向精度和成像质量。大量研究表明，动量轮

4、(反作用轮)工作时产生的扰动是影响航天器成像质量的主要扰动源IjJ，Eyerman和Shea[3】等人认为动量轮等高速转动部件对成像质量的影响最大：结合Bialke、Melody、Kim、Castles和James／描J等人及“哈勃”望远铡川的研究成果，通过对图l所示卫星的力学环境的分析可以推测，引发该卫星微振动的主要因素有：飞轮、垂直探测仪和扫描辐射计的运动部件的转动或平动。图l某卫星结构示意图Fig．1Schematicdiagramofasatellite’sStlalcture根据微振动力学环境或者分析环境对象的不同，微振动力学模型的建

5、立也应不同。现阶段，某卫星的微振动分析主要考虑星上运动部件引发的瞬态加速度和稳态加速度11Ⅲ，即针对运动部件扰动引起的微振动响应建立机械动力学微振动仿真模型。2微振动力学模型建模目前，比较成熟的集成建模软件系统有M11r的DOCS和NASA的IME，其中，IME更具实用性，收稿日期：2010-09-03：修回日期：2010-10-07基金项目：中国航天八院基金资助项目作者简介：蒋国伟(198卜)，男，硕士学位，主要从事卫星结构与机构设计和动力学仿真分析及优化工作；E-mail：jgw0203@163．c,om．周徐斌(197孓_)，男，研究员，

6、硕士生导师，研究领域为航天器设计．第l期蒋国伟等：某卫星微振动建模与仿真37其主要分析模块之一为颤振分析(JitterAnalysis)模块”12】。本文参考IME颤振分析建模思路，根据某卫星微振动力学环境特点，建立卫星机械动力学微振动仿真模型。经过对星上扰动源特点的分析，确定了某卫星的建模思路：先建立部件级扰动力学模型，然后将部件级扰动力学模型与整星模型耦合建模。为准确描述卫星微振动及其传递特性，将扰动源设定为刚性体、其他部分作为柔性体建模，建立卫星刚柔耦合动力学微振动仿真模型。具体建模过程如图2所示。圈孙寸l横卷试验敦{垦厕堰匿匐雠l转动特

7、忭及拧制模式l7lI’I‘。茹碥盈■!ADAMs◆1<7刚震藕合多体动力学模喇．-_L叫FleI叫L兰竺虬竺疃业塑竺蚕豇雨夔重砬亟再丽琢ir丽图2微振动力学模型建立过程Fig．2Themodelingprocedureofmicro-vibrationdynamics在建模过程中，需要考虑的主要因素如下：1)飞轮扰动主要是由于轮子质量分布不均引起的静不平衡和动不平衡造成的，扰动模型要准确描述扰动的实际情况Il31。在飞轮实际安装位置处建立飞轮数学模型，根据飞轮研制单位提供的飞轮数据赋予数学模型实际飞轮的物理特性。飞轮的扰动参数包括频率范围、幅值

8、级别、作用在结构上的位置和方向【2】，其中，幅值级别可用飞轮静不平衡量和动不平衡量，即质心偏心及惯性积来描述。2)振源运动部件为刚性体，传递路径为柔性