一种整星系统减振与能量采集一体化装置

1.本发明涉及航天工程技术领域，具体为一种整星系统减振与能量采集一体化装置。


背景技术：

2.在航天工程领域中，航天器在运行过程中会受到不同形式的载荷作用，包括周期、随机及瞬态等激励。前人基于整星隔振技术，在航天器中加入隔振装置能在一定程度上降低载荷对结构的危害。整星隔振器安装于火箭与卫星适配器之间，利用其弹性和阻尼效果产生隔振作用，在卫星发射的主动飞行段减少火箭向卫星的振动传递。在低频共振时，阻尼起到抑制响应峰值的作用，在中高频率段则是利用相对柔性的隔振器减少振动的传递。隔振器的设计需要从抑制响应峰值和隔离中高频振动两方面综合考虑。
3.近些年，利用非线性能量汇(nonlinear energy sink，nes)实现机构振动控制的技术受到了广大国内外学者的研究。nes主要包含立方非线性刚度、阻尼材料和磁性块组成，能够实现振动能量从主系统单向且不可逆地传递至非线性部分，达到有效的减振目标。传递至非线性吸振器上的能量最终被非线性部分的阻尼材料和磁性材料所耗散。非线性能量汇可以实现宽频减振，但其对系统固有频率的影响相对较小，由于非线性的引入，使得系统具有强硬化特性，以至于出现了宽频范围的跳跃现象，严重影响了有效隔振带宽，从而导致使用该减振装置的整星系统收到损坏。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型的整星系统减振与能量采集一体化装置，本发明可以有效的对于宽频振动产生振动抑制的效果，以保证航天器上的有效载荷可以有更好的使用环境。
5.为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
6.一种整星系统减振与能量采集一体化装置，包括锥壳型卫星适配器外壳，在所述锥壳型卫星适配器外壳内设有：
7.导杆，所述导杆垂直设置在所述锥壳型卫星适配器外壳的下底面上方，在所述导杆上设有轨道；
8.质量块，在所述导杆上设有质量块，所述质量块可沿所述轨道上下运动；
9.线性能量采集组件，在所述质量块的两侧各设有一个线性能量采集组件，两个所述线性能量采集组件对称设置在所述质量块两侧，上述两个所述线性能量采集组件经转动副与所述锥壳型卫星适配器外壳的侧壁连接，在所述质量块的下方设有一线性能量采集组件，所述线性能量采集组件包括平行设置的线性弹簧和超磁伸缩材料，在所述超磁伸缩材料上并联有一电容；
10.非线性能量采集组件，在所述质量块的上方设有非线性能量采集组件，所述非线性能量采集组件包括平行设置的非线性弹簧、线性阻尼结构和超磁伸缩材料，在所述超磁
伸缩材料上通过导线并联有一电容；
11.支撑杆，所述支撑杆垂直设置在所述锥壳型卫星适配器外壳的上底面下方，所述支撑杆的下端设有一个连接板，所述非线性能量采集组件和上述导杆固定设置在上述连接板下方；
12.传感器，所述线性能量采集组件和所述非线性能量采集组件的电容均与所述传感器电连接；
13.并配置成：
14.稳定状态时，在所述线性能量采集组件和所述非线性能量采集组件共同作用下，所述质量块设置在所述锥壳型卫星适配器外壳的中心位置。
15.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，三个所述线性能量采集组件形成准零刚度体系；
16.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，稳定状态时，三个线性能量采集组件的线性弹簧之间的夹角为1200，所述线性弹簧与其相连的转动副平行。
17.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述质量块为金属或合金材质，所述质量块的重量为0.3kg-3kg。
18.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述线性能量采集组件的两端分别是一个连接片，所述线性弹簧的两端分别与所述连接片连接，所述超磁伸缩材料的两端分别与所述连接片连接。
19.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述非线性能量采集组件中的非线性弹簧的一端与所述支撑杆的下端连接板连接，所述非线性弹簧的另一端与所述质量块连接；
20.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述非线性能量采集组件中的线性阻尼结构的一端与所述连接板连接，所述线性阻尼结构的另一端与所述质量块连接；
21.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述非线性能量采集组件中的超磁伸缩材料的一端与所述连接板连接，所述超磁伸缩材料的另一端与所述质量块连接。
22.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述非线性能量采集组件中的线性阻尼结构的材料为高阻尼合金。
23.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述高阻尼合金为铜-锌-铝系合金、铁-铬-钼系合金或锰-铜系合金。
24.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，在所述导杆的轨道为直线型，在所述质量块上设有轨道配合结构；
25.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述轨道为凸条，所述轨道配合结构为凹槽；或所述轨道为凹槽，所述轨道配合结构为凸条；所述凸条和所述凹槽的形状相匹配。
26.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述支撑杆的材质是铝合金；
27.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述支撑杆的上端与所述锥壳型卫星适配器外壳的上底面的中心固定连接。
28.上述的整星系统减振与能量采集一体化装置中，所述质量块的下方的线性能量采集组件设置在所述锥壳型卫星适配器外壳的下底面的中心位置
29.借由上述技术方案，本发明提出的一种整星系统减振与能量采集一体化装置至少具有下列优点：
30.(1)利用准零刚度系统高静低动的优良特性，可以使航天器振动的频率响应速度加快，增加隔振和吸振能力，降低航天器系统的共振峰值。非线性弹簧，实现宽频振动抑制，两侧及下方线性弹簧实现横向振动抑制，这种被动隔振系统与经典结构相比，增加了航天器的稳定性，从而减少有害隔振对航天器的影响。
31.(2)搭建能量采集装置，利用超磁伸缩材料的导电性能和电磁转换技术，实现了从对航天器有害的振动转化成可供电的电源装置的转换。能量采集器收集电能，通过传感器用于锥壳内装置的检测反馈和监控反馈供电，从而缓解航天器能量限制的问题。
32.(3)传统的被动吸振和隔振装置通过阻尼将振动耗散，在航天器上资源有限的条件下是极大的浪费，本装置将能量收集储存并合理利用，可用于无光照条件下卫星自主供能。
33.(4)装置制造方便，成本较低，同时又能解决工程中的实际问题。
34.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
35.图1为本发明的整星系统减振与能量采集一体化装置的结构示意图。
具体实施方式
36.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种整星系统减振与能量采集一体化装置具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
37.如图1所示的一种整星系统减振与能量采集一体化装置，包括锥壳型卫星适配器外壳1，在所述锥壳型卫星适配器外壳1内设有导杆2、质量块3、线性能量采集组件5、非线性能量采集组件6、支撑杆和传感器8，所述导杆2垂直设置在所述锥壳型卫星适配器外壳1的下底面上方，在所述导杆2上设有轨道；在所述导杆2上设有质量块3，所述质量块3可沿所述轨道上下运动；在所述质量块3的两侧各设有一个线性能量采集组件5，两个所述线性能量采集组件5对称设置在所述质量块3两侧，上述两个所述线性能量采集组件5经转动副7与所述锥壳型卫星适配器外壳1的侧壁连接，在所述质量块3的下方设有一线性能量采集组件5，所述线性能量采集组件5包括平行设置的线性弹簧51和超磁伸缩材料52，在所述超磁伸缩材料52上并联有一电容4；在所述质量块3的上方设有非线性能量采集组件6，所述非线性能量采集组件6包括平行设置的非线性弹簧61、线性阻尼结构62和超磁伸缩材料52，在所述超磁伸缩材料52上通过导线并联有一电容4；所述支撑杆垂直设置在所述锥壳型卫星适配器外壳1的上底面下方，所述支撑杆的下端设有一个连接板，所述非线性能量采集组件6和上述导杆2固定设置在上述连接板下方；所述线性能量采集组件5和所述非线性能量采集组件6的电容4均与所述传感器8电连接；并配置成：稳定状态时，在所述线性能量采集组件5和所
述非线性能量采集组件6共同作用下，所述质量块3设置在所述锥壳型卫星适配器外壳1的中心位置。
38.本发明通过所述线性能量采集组件5和所述非线性能量采集组件6共同作用，不仅可以有效抑制航天器单一频率振动，还保证没有引入线性刚度，因此几乎不会对原系统共振区域造成影响，并且振动抑制效果显著，增加了航天器的稳定性，从而减少有害隔振对航天器的影响。
39.本发明所述线性能量采集组件5与所述转动副7连接，从而可使所连转动副7作为所述线性弹簧51的一端的转动轴，即所述线性弹簧51随所述质量块3上下振动时，所述线性弹簧51可绕所述转动副7转动。所述转动副7也称为回转副，运动副的一种，所述转动副7的两个转动臂经转轴连接，从而使线性能量采集组件5转动的方式是在一个平面上运动。所述质量块3两侧及下方线性弹簧51实现横向振动抑制。
40.从而，使所述质量块3在上下运动时，可以带动两侧的线性能量采集组件5发生拉伸或收缩运动。所述转动副7包括两个转动臂和一个转动轴，两个转动臂的第一端经转动轴转动连接，两个转动臂的第二端分别与侧壁和线性能量采集组件5固定连接，所述转动副7使所述线性能量采集组件5仅在一个平面上运动。
41.进一步地，为了方便所述线性能量采集组件5的安装，所述线性能量采集组件5的两端分别是一个连接片，所述线性弹簧51的两端分别与所述连接片连接，所述超磁伸缩材料52的两端分别与所述连接片连接。所述超磁伸缩材料52在伸张与缩短时可以将机械能转换成电磁能，也就是有效地实现所述将整星系统减振与能量采集一体化装置能量的靶向转移。
42.所述导杆2通过约束所述质量块3的振动方向来约束所述线性能量采集组件5和所述非线性能量采集组件6的运动方向。
43.所述整星系统减振与能量采集一体化装置在工作环境中受到外界激励时候，引起质量块3上下振动，设置在所述锥壳型卫星适配器外壳1内的质量块3的振动能量靶向传递至线性能量采集组件5和非线性能量采集组件6部分。其中一部分振动能量以机械能的形式耗散，另一部分被线性能量采集组件5和非线性能量采集组件6的阻尼材料耗散，实现了被动振动控制。所述线性能量采集组件5以三弹簧结构形成准零刚度，通过三个弹簧的拉压约束上下振动的质量块3，使其恢复到原平衡位置(即稳定状态)。
44.所述整星系统减振与能量采集一体化装置通过三弹簧结构形成准零刚度提高了系统的稳定性。由于线性能量采集组件5一旦激励频率不等于吸振器的固有频率时，振动抑制的效果就明显降低，所以通过添加非线性吸振器线性能量采集组件6(由于弹簧没有线性刚度，只要激励能量达到所需的阈值，它可以被任何振动频率激发)，可以使本发明的整星系统减振与能量采集一体化装置稳定性可靠性高、减振频带宽、鲁棒性强。
45.由于三弹簧式准零刚度隔振仅通过产生负的线性刚度使得航天器的总线性刚度减小，从而降低系统的固有频率实现高频隔振的目的。通过两个斜向线性弹簧51在垂直方向上产生的负刚度抵消垂向弹簧的正刚度从而实现具有高静态低动态的准零刚度条件，利用准零刚度系统高静低动的优良特性，可以使航天器振动的频率响应速度加快，增加隔振和吸振能力，降低航天器的共振峰值。准零刚度设计可以降低系统的固有频率，从而实现有效的振动隔离。
46.本发明以机械能的形式耗散部分能量，以超磁伸缩材料52作为能量采集器，实现了被动振动控制的同时实现了能量转化。
47.本发明通过线性能量采集组件5和非线性能量采集组件6采集到的能量作为所述传感器8的能量，具体为，所述电容4采集得到的电能通过与其相连的导线传送到传感器8为其供电，从而本发明的整星系统减振与能量采集一体化装置不需要外部能量。本发明还可以将能量收集储存并合理利用，可用于无光照条件下卫星自主供能。
48.所述传感器8用于整星系统减振与能量采集一体化装置的健康检测，主要通过识别电信号的大小来判断所述整星系统减振与能量采集一体化装置的振动强弱。
49.本发明通过在质量块3的两侧和下方分别设置一个线性能量采集组件5，在上方设有一个非线性能量采集组件6，从而能够实现不同方向的振动均可被装置采集并实现消振和隔振。
50.进一步地，本技术为了提高整星系统减振与能量采集一体化装置的频率响应速度，所述三个线性能量采集组件5构成一个三弹簧准零刚度结构，在稳定状态时，三个线性能量采集组件5的线性弹簧51之间的夹角为120
°
，所述线性弹簧51与其相连的转动副7平行。利用准零刚度系统高静低动的优良特性，可以使航天器振动的频率响应速度加快，增加隔振和吸振能力，降低航天器系统的共振峰值，从而，有效解决低频振动的稳定性问题，并使该装置具有良好的宽频消振特性。由于大型机械在复杂的动力学环境中往往会出现宽频特征，航天器在轨运行阶段过程中，精密仪器对振动环境的要求极其严苛，即使是微小的振动也会对其测量或指示精度产生极其不利的影响，以往针对宽频结构的振动控制，主要应用主被动一体化隔振技术，然而，对于具有宽频特征的振动控制机构，其结构表现出强耦合、大尺度、低刚度、弱阻尼、极端外界环境等特征，使得主被动一体化振动控制技术很难适应这些工况，本发明利用非线性动力学特性，能够拓宽被动振动控制的有效带宽，从而实现宽频振动控制。
51.本发明的三弹簧结构形成准零刚度降低系统的固有频率，拓宽被动振动控制的有效带宽。其特有的准零刚度系统，可实现频率较低的同时具有较大刚度，响应速度较快，有效解决低频振动的稳定性问题。
52.所述三个线性能量采集组件5构成的三弹簧准零刚度结构，在静平衡位置处的动刚度为零，可使隔振器在保证承载力的前提下具有较低的刚度，表现出优良的低频隔振性能。通过产生负的线性刚度使得系统的总线性刚度减小，从而降低系统的固有频率实现高频隔振的目的。通过两个斜向弹簧在垂直方向上产生的负刚度抵消垂向弹簧的正刚度从而实现具有高静态低动态的准零刚度条件，利用准零刚度系统高静低动的优良特性，可以使航天器振动的频率响应速度加快，增加隔振和吸振能力，降低航天器系统的共振峰值。
53.通过线性能量采集组件5和非线性能量采集组件6的协同效应，能够使所述整星系统减振与能量采集一体化装置隔振频带更宽，并实现了高效振动抑制。并解决了只使用线性能量采集组件5而导致的线性刚度减小时，系统抗变形能力减小的问题，并且还能够所述整星系统减振与能量采集一体化装置受固有频率的影响相对较小，在大激励下，本发明的整星系统减振与能量采集一体化装置的减振性能和隔振性能的优势更为显著，而位移响应的减振性能在小激励下更为突出。
54.所述整星系统减振与能量采集一体化装置利用准零刚度系统高静低动的优良特
性，可以使航天器振动的频率响应速度加快，增加隔振和吸振能力，降低航天器系统的共振峰值。
55.所述整星系统减振与能量采集一体化装置通过非线性弹簧61可以实现宽频振动抑制，质量块3两侧及质量块3下方的线性弹簧51可以实现横向振动抑制，这种被动隔振系统与经典结构相比，增加了航天器的稳定性，从而减少有害隔振对航天器的影响。
56.另外，所述非线性能量采集组件6和线性能量采集组件5中均设有能量采集装置，利用超磁伸缩材料52的导电性能和电磁转换特性，由于超磁致伸缩材料可以发生反复伸张与缩短，可以将机械能(或机械位移与信息)转换成电磁能(或电磁信息)。从而，实现了从对航天器有害的振动转化成可供电的电源装置的转换。
57.进一步地，为了提高振动产生的能量，本发明对质量块3的材质和重量进行了进一步限定。所述质量块3为金属或合金材质，所述质量块3密度较大体积较小的材质即可，所述金属优选为铁、不锈钢等材质。所述质量块3的重量根据卫星的要求进行设定，具体可以为0.3kg-3kg之间的任意数值。
58.所述非线性能量采集组件6中的非线性弹簧61的一端与所述支撑杆的下端连接板连接，所述非线性弹簧61的另一端与所述质量块3连接；具体地，在稳定状态时，所述非线性弹簧61与所述导杆2平行。
59.所述非线性能量采集组件6中的线性阻尼结构62的一端与所述连接板连接，所述线性阻尼结构62的另一端与所述质量块3连接，具体地，在稳定状态时，所述线性阻尼结构62与所述导杆2平行；
60.所述非线性能量采集组件6中的超磁伸缩材料63的一端与所述连接板连接，所述超磁伸缩材料63的另一端与所述质量块3连接，具体地，在稳定状态时，所述超磁伸缩材料63与所述导杆2平行。
61.所述非线性能量采集组件6中的线性阻尼结构62为将阻尼材料与构件结合成一体以消耗振动能量的结构，所述阻尼材料为高阻尼合金。
62.所述高阻尼合金为铜-锌-铝系合金、铁-铬-钼系合金或锰-铜系合金。
63.在所述导杆2的轨道为直线型，在所述质量块3上设有轨道配合结构；所述质量块3可以沿所述导杆2上下滑动。具体地实现形式包括如下两种：一)所述轨道为凸条，所述轨道配合结构为凹槽；二)或所述轨道为凹槽，所述轨道配合结构为凸条；所述凸条和所述凹槽的形状相匹配。这两种形式均可以实现所述质量块3沿所述导杆2的上下滑动。
64.为了减少所述支撑杆的重量，所述支撑杆的材质是铝合金；所述支撑杆的上端与所述锥壳型卫星适配器外壳1的上底面的中心固定连接。
65.为了能够保证在稳定状态下，所述质量块3处于所述锥壳型卫星适配器外壳1的中心位置，所述质量块3的下方的线性能量采集组件5设置在所述锥壳型卫星适配器外壳1的下底面的中心位置。
66.本发明很大程度上解决了航天器受到实际环境干扰的问题。在航天器进入预定轨道之前，其自身需要承受一系列严酷的振动环境，比如整流罩的噪声、爆炸冲击、随机振动载荷等等。这些对于航天器的精密部件如太阳能帆板、天线等有着极大地影响。航空航天器在运动过程中会面临许多恶劣的动力学环境，其中振动是造成其内部精密结构指标漂移、精度下降、结构破坏的重要原因。因此，为了保证设备的正常运转，对其进行有效的振动抑
制是非常必要的。所述整星系统减振与能量采集一体化装置安装在航天器内以被动控制方式实现减振与隔振，非线性能量汇能够实现振动能量从航空航天器单向且不可逆地传递至非线性部分，达到有效的减振目标。传递至非线性吸振器上的能量最终被非线性部分的阻尼材料和磁性材料所耗散。利用准零刚度系统高静低动的优良特性，过产生负的线性刚度使得系统的总线性刚度减小，从而降低系统的固有频率实现高频隔振的目的。本系统使航天器振动的频率响应速度加快，增加隔振和吸振能力，降低航天器系统的共振峰值。通过线性能量采集组件5和非线性能量采集组件6的电容4，向传感器8提供电能，传感器8还可用于整星系统的健康检测，以提高系统自供能能力。通过传感器8用于锥壳内装置的检测反馈和监控反馈供电，从而缓解航天器能量限制的问题。所述传感器8可包括如下类型：1)力敏传感器8通过识别系统质量块3振动力的大小来判断卫星适配器的振动强弱；2)磁敏传感器8通过识别系统超磁伸缩材料52磁性量变化大小来判断卫星适配器的振动强弱；3)电流传感器8通过识别系统转递电信号的大小来判断卫星适配器的振动强弱。
67.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。