橡胶减振垫在航天器中的应用及验证

张正峰，叶 青，吕 鹏，李 青，于杭健

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

橡胶减振垫在航天器中的应用及验证

张正峰，叶 青，吕 鹏，李 青，于杭健

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

文章针对某航天器振动试验过程中出现的自锁阀及其安装支架振动响应放大问题，提出了一种采用橡胶减振垫的解决措施，给出了增加减振垫后设备安装的刚度模型及其分析，并通过振动试验验证了这种方法的有效性。试验结果表明：采用橡胶减振垫可以较好地解决部分航天器上仪器设备在振动环境条件下响应超标的问题，措施简单有效，满足使用要求，具有一定的推广应用价值。

航天器；橡胶减振垫；刚度模型；理论分析；自锁阀；振动试验；振动响应

0 引言

运载火箭在发射过程中产生的振动、噪声及冲击环境是航天器上仪器设备需要首先应对的重要问题。在航天器工程设计过程中，由于受航天器主承力结构特性、单机产品及安装支架重量和尺寸大小的限制，单机产品部件需要承受较为恶劣的力学环境，为此需采取一定的减振措施。常规的减振方式有使用弹簧阻尼元件、橡胶减振垫等。其中，橡胶减振垫可通过变形把输入的能量转换成内能，在冲击过后再将这部分能量释放出来，具有良好的抗振动和冲击性能，且能够满足高真空、高低温等恶劣空间环境下的使用要求，已经在国内外得到广泛应用[1-4]。

本文针对某航天器在振动试验过程中出现的气路自锁阀振动响应放大问题，开展了利用橡胶减振垫进行减振的分析与验证工作。

1 问题描述及橡胶减振垫的应用背景

在某型号航天器的研制过程中，受限于星上的安装空间，某气路自锁阀先通过底部安装螺钉紧固在桥式安装支架上，再用螺钉固接于卫星结构板上，如图1所示。

图1 自锁阀安装结构Fig. 1 Installation of the self-locking valve

为验证自锁阀自身性能对力学环境的适应性，对其开展了随机振动试验，试验状态如图2所示。在依次进行的3个方向的试验中，自锁阀通过了x向、y向的试验考核，但未通过z向的试验考核——振动导致阀门的开关状态发生了切换。通过对振动试验响应曲线（见图3）进行判读，当总均方根加速度输入为 15.8g时，自锁阀在y方向响应最大（112.3g），x向和z向的响应分别为19.4g和96.9g。在对自锁阀及安装支架进行的冲击试验（冲击谱加速度最大为1000g，Q=10）过程中，自锁阀也未能通过y向和z向的试验考核。

图2 自锁阀随机振动试验状态Fig. 2 The self-locking valve in the random vibration test

图3 自锁阀随机振动试验响应曲线（减振前）Fig. 3 Random vibration reponse of the self-locking valve(before vibration reduction)

分析试验数据：由于支架与自锁阀相互影响，使得二者在高频处的响应能量较大，从而令自锁阀产品状态发生改变；通过对不同形式的自锁阀支架进行力学分析，发现在同种结构形式的情况下，加强或改进支架对于降低振动试验响应无明显效果。

针对此问题，需采取措施降低自锁阀在振动情况下的力学响应，即提高安装支架自身或安装界面处的阻尼系数。通过对不同减振方案的分析对比，最简单有效的是橡胶减振垫的减振方式，并对其进行应用设计和试验验证。

2 橡胶减振垫的刚度模型与材料选取

在自锁阀安装支架下方设置橡胶减振垫，增加橡胶垫后的安装形式如图4所示，该安装形式可简化为由阻尼系数为C的阻尼器和刚度为K的线性弹簧组成的振动系统[5]。

图4 自锁阀安装橡胶减振垫后的形式与简化模型Fig. 4 Installation of the self-locking valve with rubber absorber and the simplified model

在简谐激振力F(t)的作用下，系统的运动方程为

方程的特解为

自锁阀的响应为为衡量减振效果，引入主动减振系数η，其值为响应F1与输入激励F0之比

对质量为M的系统，其固有频率fn和临界阻尼Cc的表达式为

由以上各式可知，当λ＞时，减振系数η＜1，能够起到减振作用，这就要求橡胶减振垫的K值较小。通过对多种不同橡胶材料的比较，采用某航天研究所生产的一种常态硅橡胶材料 ZN-35制成硅橡胶垫。该类橡胶材料内部分子结构稳定，具有良好的减振缓冲性能，能够耐受航天器在轨期间的真空、粒子辐射等环境，满足使用要求。ZN-35硅橡胶材料性能指标如表1所示。

表1 ZN-35硅橡胶材料性能指标Table 1 Performance index of the ZN-35 rubber

3 应用橡胶减振垫后效果验证

对应用了橡胶减振垫的自锁阀及安装支架开展同量级的随机振动试验，自锁阀状态稳定，未发生开关切换现象，各方向试验均顺利通过。对试验后的测量数据进行判读可知，自锁阀在x、y、z这3个方向上的总均方根加速度响应值如表2所示，z方向响应最大（47.0g），振动响应曲线如图5所示。通过表2可以看出：x向响应有所增大，因为安装支架跨距较小，增加橡胶垫后导致顶端响应放大，但仍在自锁阀可承受范围之内；y向、z向响应明显减小，振动响应较减振前分别减小 62%和51%，特别是在高频能量的抑制方面，减振效果明显。试验过程中，阀门的开关状态稳定，未发生切换现象，达到预期效果。

表2 减振前后自锁阀随机振动试验响应值对比Table 2 Comparison of the reponses of the self-locking valve in the random vibration test

图5 自锁阀随机振动试验响应曲线（减振后）Fig. 5 Random vibration reponse of the self-locking valve(after vibration reduction)

同样的，在重新对自锁阀及安装支架进行的冲击试验中，自锁阀均顺利通过各方向的试验考核，冲击响应量级明显降低。

4 结束语

本文针对航天器振动试验过程中出现的自锁阀振动响应放大问题，分析了增加橡胶减振垫后的刚度模型，并通过试验对减振效果进行了验证，结果表明采用橡胶减振垫是一种简单有效的措施，满足在轨使用要求。本方法对于解决其他航天器上仪器设备在振动和冲击环境条件下响应超标的问题具有一定的推广借鉴作用。

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[1] 汪元贵, 雷勇军. 飞行过程中惯导系统的随机振动响应分析[J]. 湖南理工学院学报(自然科学版), 2004,17(3): 39-41 WANG Y G, LEI Y J. Random vibration analysis of INS in flight[J]. Journal of Hunan Institute of Science and Technology(Natural Science), 2004,17(3): 39-41

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[5] 刘延柱, 陈文良, 陈立群. 振动力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998: 11-12

Application and verification of rubber absorber in spacecrafts

ZHANG Zhengfeng, YE Qing, LÜ Peng, LI Qing, YU Hangjian
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

This paper studies the response amplification of the self-locking valve during the spacecraft vibration test, proposes a damping method using rubber absorbers, and analyzes it with a stiffness model of the valve installed with the rubber absorbers. The effectiveness of this method is verified by the vibration test, and it is shown that with the rubber absorbers, the response amplification problem can be solved for some instruments of the spacecraft in the vibration environment. This solution is simple and effective, and can meet the application requirements, with a good engineering value.

spacecrafts; rubber absorber; stiffness model; theoretical analysis; self-locking valve; vibration test; vibration responses

TB535+.1

A

1673-1379(2017)05-0549-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.017

2017-06-15；

2017-09-04

国家重大科技专项工程

张正峰, 叶青, 吕鹏, 等. 橡胶减振垫在航天器中的应用及验证[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(5): 549-552

ZHANG Z F, YE Q, LÜ P. et al. Application and verification of rubber absorber in spacecrafts[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 549-552

（编辑：冯露漪）

张正峰（1979—），男，硕士学位，高级工程师，主要从事深空探测航天器总体设计及研发工作。E-mail:zhfengzh@163.com。