一种适用于卫星设备隔振的变刚度大承载隔振器的制作方法

本发明公开了一种用于卫星设备隔振的变刚度隔振器，属于航天器减隔振技术领域。

背景技术：

随着航天技术的快速发展，卫星设备的精度、敏感度和复杂度不断提升，一方面，在发射阶段的强振动环境下，卫星设备安装结构需具有高刚度、大承载能力，以承受发射段载荷，并防止火箭引起的强振动载荷损伤高精度设备；另一方面，卫星入轨后的在轨工作阶段，卫星设备安装结构需具有低刚度、高阻尼特性，以降低星上运动部件(如控制力矩陀螺、反作用轮、太阳翼驱动机构等)正常工作时引起的微振动干扰，保证卫星设备的高精度指标实现。发射段高刚度、在轨段低刚度是卫星设备安装结构面临的严重矛盾需求。工程中一般采取两种方法处理，(1)提高发射段刚度，通过降低在轨段隔振性能来保证卫星设备在发射段的安全；(2)采用压电陶瓷、电机或磁流变等主动控制措施，或者采用主被动一体措施等更为复杂的技术方案，在发射段和在轨段分别调整系统刚度适应两个阶段的矛盾需求。第一种方法需降低在轨段隔振性能要求，难以满足当前和未来卫星性能要求和设备精度越来越高的情况。对于第二种方法，其系统复杂、功耗大，且寿命和可靠性通常都较低，使用代价较大，大大限制了其工程应用。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种适用于卫星设备隔振的变刚度大承载隔振器，实现卫星设备在发射段的可靠承载和在轨段的高效隔振。

本发明的具体实施方案是：

一种适用于卫星设备隔振的变刚度大承载隔振器，包括：隔振模块、绳索模块和连接模块；连接模块包括上支架和下支架；

隔振模块位于所述上支架和下支架之间，隔振模块的上端面与上支架连接，再安装在卫星设备的支撑部位，隔振模块的下端面与下支架连接，再安装在卫星结构上；绳索模块将上支架和下支架连接在一起；上支架下支架和绳索模块形成一个承载路径，同时，隔振模块成为另一个并联的承载路径，两个承载路径共同作用于卫星结构和卫星设备之间的隔振。

进一步的，隔振模块为上下端面平行的弹簧结构，隔振模块的上端面设置若干处上端面安装孔以及若干处上端面定位孔，上端面安装孔与连接模块上支架上设置的上支架安装孔相配合，为卫星设备提供安装孔位；上端面定位孔与上支架上设置的上支架定位孔相配合，保证隔振模块与上支架的安装位置精度；

隔振模块下端面设置若干处下端面安装孔以及若干处下端面定位孔，下端面安装孔与下支架上设置的下支架安装孔相配合，提供隔振器与卫星结构的安装孔位；下端面定位孔与下支架上设置的下支架定位孔相配合，保证隔振模块与下支架的安装位置精度。

进一步的，隔振模块采用金属螺旋弹簧或金属切槽弹簧实现。

进一步的，隔振模块采用高阻尼合金材料加工。

进一步的，绳索模块包括连接预紧组件和柔性承载组件；连接预紧组件包括球形垫和预紧螺母；球形垫安装于下支架预留的安装球窝中；隔振器安装到位后，施加预紧力后的柔性承载组件对预紧螺母施加一定的预紧载荷，在该载荷作用下，预紧螺母将球形垫压紧在下支架设置的安装球窝中；球形垫在下支架安装球窝中受到径向位置约束，使隔振器承受发射过程中的大量级振动载荷；同时，球形垫还具有转动自由度，通过自适应转动避免柔性承载组件承受弯矩载荷而受损，确保隔振器具有足够的承载能力。

进一步的，球形垫表面涂覆固体润滑层，用于球形垫转动时的润滑，避免真空环境下发生冷焊以及避免柔性承载组件产生弯曲内应力。

进一步的，预紧螺母与下支架之间设置恒力弹簧垫圈来保证柔性承载组件保持恒定的预紧力。

进一步的，柔性承载组件包括绳端套环、柔性绳索以及绳端螺柱；

绳端套环与下支架绕绳柱连接，用于柔性承载组件的起始端约束，柔性绳索依次缠绕在上支架绕绳柱和下支架绕绳柱上，用来承受发射段大量级载荷；绳端螺柱与预紧螺母相配合，实现绳索模块预紧力的精细调整；

连接预紧组件的预紧螺母与绳端螺柱相配合；在施加预紧力矩过程中，首先固定绳端螺柱防止其在预紧过程中发生转动，然后转动预紧螺母，施加期望的力矩或转角，从而可以使柔性承载组件按照期望的预紧力预紧，并有效避免柔性承载组件在预紧过程中受到扭转载荷而受损；

在预紧过程中，绳端螺柱将预紧力传递给预紧螺母，预紧螺母再传递给球形垫，从而可以将球形垫压紧于下支架安装球窝中；

同时，在预紧力作用下，柔性承载组件将上支架和下支架分别压紧在隔振模块的上端面和下端面上。

进一步的，连接模块上支架的端面上设置与隔振模块上端面安装孔相配合的上支架安装孔，以及与隔振模块上端面定位孔相配合的上支架定位孔，同时上支架的外侧壁上设置若干上支架绕绳柱；

上支架安装孔与隔振模块上端面安装孔相配合，为卫星设备提供安装孔位；上支架定位孔与隔振模块上端面定位孔相配合，保证隔振模块与连接模块的安装位置精度；上支架绕绳柱与柔性承载组件相配合，承受发射段振动载荷，并提供振动下的摩擦阻尼。

进一步的，连接模块下支架的端面上设置与隔振模块下端面安装孔相配合的下支架安装孔、与隔振模块下端面定位孔相配合的下支架定位孔，下支架外侧壁上设置有若干下支架绕绳柱，并设置有连接预紧组件安装平台；

下支架安装孔与隔振模块下端面安装孔相配合，提供与卫星结构的安装孔位；下支架定位孔与隔振模块下端面定位孔相配合，保证隔振模块与连接模块的安装位置精度；

下支架绕绳柱与上支架绕绳柱、柔性承载组件相配合，通过柔性绳索缠绕连接，承受发射段振动载荷，并提供振动下的摩擦阻尼；连接预紧组件安装平台提供球形垫安装的球窝结构，保证球形垫在其中自适应转动，避免柔性承载组件产生弯曲内应力。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过绳索模块柔性承载组件实现发射过程中强振动环境下的高刚度、大承载，可以有效承受发射段载荷，保护卫星设备的安全。

(2)本发明通过隔振模块实现在轨工作时微振动环境下的低刚度、高阻尼，可以有效衰减星上的微振动干扰，保证卫星设备的高精度指标。

(3)本发明通过绳索模块连接预紧组件实现发射段和在轨段刚度的精细调节，保证满足发射段承载要求下的最优隔振效果。

(4)本发明产品无需外界能源，对卫星无功耗需求，可以避免给卫星系统带来额外的能源负担，且入轨后产品性能稳定性好，无需额外控制或维护。

(5)本发明产品组成简单，结构紧凑，便于加工制造，且无敏感环境因素，可靠性高，非常适用于空间应用。

附图说明

图1为本发明一种适用于卫星设备隔振的变刚度大承载隔振器结构图；

图2为本发明中隔振模块的一种典型结构示意图，其中图2(a)和图2(b)分别表示上下端面的结构；

图3为本发明中绳索模块连接预紧组件示意图；

图4为本发明中一种带恒力弹簧垫圈的连接预紧组件示意图；

图5为本发明中绳索模块柔性承载组件示意图；

图6为本发明中连接模块上支架示意图；

图7为本发明中连接模块下支架示意图；

图8为本发明的一种使用形式示意图。

图中：1—隔振模块，2—绳索模块，3—连接模块；

11—隔振模块上端面，12—隔振模块下端面；

21—连接预紧组件，22——柔性承载组件；

31—上支架，32—下支架；

111—上端面安装孔，112—上端面定位孔；

121—下端面安装孔，122—下端面定位孔；

211—球形垫，212—预紧螺母，213—恒力弹簧垫圈；

221—绳端套环，222—柔性绳索，223—绳端螺柱；

311—上支架安装孔，312—上支架定位孔，313—上支架绕绳柱；

321—下支架安装孔，322—下支架定位孔，323—下支架绕绳柱，324—连接预紧组件安装平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例中，一种适用于卫星设备隔振的变刚度大承载隔振器，包括隔振模块1、绳索模块2和连接模块3组成。连接模块3包括上支架31和下支架32；

隔振模块1位于所述上支架31和下支架32之间，绳索模块2缠绕在上支架31和下支架32之间，将两者连接在一起；通过对绳索模块2施加预紧力，将上支架31压紧在隔振模块1的上端面上，同时将下支架32压紧在隔振模块1的下端面上；隔振模块1上端面与上支架31共同为卫星设备提供安装接口，隔振模块1下端面与下支架32共同提供与卫星结构的连接接口；上支架31、下支架32和绳索模块2形成一个承载路径，同时，隔振模块1成为另一个并联的承载路径，两个承载路径共同作用，为卫星设备提供承载和隔振功能。

优选的，隔振模块1可以采用金属螺旋弹簧、金属切槽弹簧，或其他易于加工设计的弹簧形式。如图2所示，隔振模块1上端面11设置3～6处上端面安装孔111以及2～4处上端面定位孔112；上端面安装孔111与连接模块3中上支架安装孔311相配合，上端面安装孔111一般设置为螺纹孔，上支架安装孔311一般设置为光孔，两者配合为卫星设备提供安装接口；上端面定位孔112与支架定位孔312相配合，保证隔振模块1与上支架31的安装位置精度。

隔振模块1下端面12设置3～6处下端面安装孔121以及2～4处下端面定位孔122。下端面安装孔121与下支架安装孔321相配合，下端面安装孔121一般设置为螺纹孔，下支架安装孔321一般设置为光孔，两者配合为隔振器提供与卫星结构的连接接口；下端面定位孔122与下支架定位孔322相配合，保证隔振模块1与下支架32的安装位置精度。

通常在绳索模块2预紧前，将定位销或定位螺钉安装于上端面定位孔112与上支架定位孔312之间，以及下端面定位孔122与下支架定位孔322之间，保证隔振模块1与上支架31和下支架32的位置精度；然后按照规定的预紧力将绳索模块2预紧，在将隔振器安装于卫星设备与卫星结构之间时，为了减小不必要的重量可以将定位销或定位螺钉拆除，若不拆除则可以设置合理的避让空间，避免定位销或定位螺钉影响隔振器的安装精度。

优选的，隔振模块1可以采用高阻尼合金材料加工。

绳索模块2主要由连接预紧组件21和柔性承载组件22组成。如图3所示，连接预紧组件21主要包括球形垫211和预紧螺母212。球形垫211安装于下支架32预留的安装球窝中，从而在预紧过程中通过自适应转动保证柔性承载组件22只承受拉力，避免其承受弯矩导致绳索破坏。预紧螺母212与柔性承载组件22的螺纹相配合，通过施加力矩实现柔性承载组件22按照规定的预紧力预紧。

优选的，球形垫211表面可涂覆固体润滑层避免真空环境下发生冷焊，并保证球形垫211转动自如，避免柔性承载组件22产生弯曲内应力。

优选的，预紧螺母212与下支架32之间也可以设置恒力弹簧垫圈213来保证柔性承载组件22保持恒定的预紧力，如图4所示。

优选的，柔性承载组件22可以采用图5所示形式，主要由绳端套环221、柔性绳索222和绳端螺柱223构成。绳端套环221一般与下支架绕绳柱323连接，用于柔性承载组件22的起始端约束。柔性绳索222在上支架绕绳柱313和下支架绕绳柱323之间依次缠绕，通过施加预紧力将上支架31、下支架32连接在一起，从而有效承受发射段载荷。绳端螺柱223则与预紧螺母212相配合，实现绳索模块2预紧力的精细调整。

优选的，连接模块3的上支架31，可以采用图6所示的结构形式，设置与隔振模块1上端面安装孔111相配合的上支架安装孔311，以及与隔振模块1上端面定位孔112相配合的上支架定位孔312，同时设置4～6处上支架绕绳柱313。

上支架安装孔311与隔振模块1上端面安装孔111相配合，上端面安装孔111一般设置为螺纹孔，上支架安装孔311一般设置为光孔，两者配合为卫星设备提供安装接口。上支架定位孔312与隔振模块1上端面定位孔112相配合，通常在绳索模块2预紧前，将定位销或定位螺钉安装于上支架定位孔312与上端面定位孔112之间，保证上支架31与隔振模块1的安装精度。在将隔振器安装于卫星设备与卫星结构之间时，为了减小不必要的重量可以将定位销或定位螺钉拆除，若不拆除则可以设置合理的避让空间，避免定位销或定位螺钉影响隔振器的安装精度。上支架绕绳柱313则为上支架31提供与柔性承载组件22的连接约束结构。

优选的，连接模块3的下支架32，可以采用图7所示的结构形式，设置与隔振模块1下端面安装孔121相配合的下支架安装孔321，与隔振模块1下端面定位孔122相配合的下支架定位孔322，以及4～6处下支架绕绳柱323，并设置一处连接预紧组件安装平台324。

下支架安装孔321与隔振模块1下端面安装孔121相配合，下端面安装孔121一般设置为螺纹孔，下支架安装孔321一般设置为光孔，两者配合为隔振器提供与卫星结构的连接接口。下支架定位孔322与隔振模块1下端面定位孔122相配合，通常在绳索模块2预紧前，将定位销或定位螺钉安装于下支架定位孔322与下端面定位孔122之间，保证下支架32与隔振模块1的安装精度。在将隔振器安装于卫星设备与卫星结构之间时，为了减小不必要的重量可以将定位销或定位螺钉拆除，若不拆除则可以设置合理的避让空间，避免定位销或定位螺钉影响隔振器的安装精度。下支架绕绳柱323则为下支架32提供与柔性承载组件22的连接约束结构。连接预紧组件安装平台324提供球形垫211的安装球窝，保证球形垫211能自适应转动，避免柔性承载组件22产生弯曲内应力。

本发明可以通过螺钉与卫星设备安装结构和卫星结构连接，保证卫星设备发射段的安全和在轨段的高稳定力学环境，图8给出了本发明的一种使用形式。

本发明为一种变刚度大承载隔振器，只要对隔振模块、绳索模块、连接模块的几何形状和相关尺寸进行适应性修改，就可以满足不同设备的发射段大承载需求和在轨段高效隔振要求，具有较高的通用性，应用前景广阔。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

以上所述是对本发明优选实施方式的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可做出多种等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请专利要求所限定的范围内。