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微振动隔离的最新进展
摘要
飞船上的扰动源引起的微振动可能严重降低敏感有效载荷的工作环境。已经开发了一些值得注意的振动控制方法，特别是用于近几十年来抑制或隔离微振动。通常，被动隔离技术被部署在航天工程中。然而，主动隔离器通常被提出以处理在航天器中常见的低频振动。多年来，主动/被动混合隔离也已经被有效地用于一些航天器结构。在半主动隔离系统中，可以调整固有结构性能以处理航空航天环境的变化。后一种方法可能是用于微振动隔离任务的最实用的隔离技术之一。文献中还报道了一些利用非线性益处的新兴先进的振动隔离方法。这代表了一个有趣的和非常有前途的方法来解决该地区的一些具有挑战性的问题。本文作为在过去十年中，特别可能是用于微振动控制的振动隔离理论或方法的最先进的调查研究。
1.介绍
术语微振动通常是指微重力环境中的低水平机械振动或干扰，通常发生在从小于1Hz直到1kHz的频率。因此，微振动可以由位于航天器上的机械系统产生，例如，制冷器，推进器，移动镜，太阳能阵列驱动机构和反应/动量轮组件。由于航空航天中的微小环境阻尼，微振动可以持续很长时间。这将恶化机载仪器的工作环境，例如降低敏感光学望远镜的精度或空间摄像机的位置精度。在空间干涉测量任务（SIM）中可以看到典型的示例，其中具有天体测量和成像能力的基于空间的干涉仪必须满足非常苛刻的位置公差（在结构的整个10m基线上为1nm量级），达到天文学要求。
在轨航天器的主要扰动源通常是机械旋转装置，例如反作用力和动量轮组件。轮组件广泛用于空间技术以提供航天器的姿态控制和动量稳定性。通常，反作用力和动量轮的振动扰动主要是由静态不平衡，动态不平衡和轴承缺陷等引起的。静态不平衡由车轮旋转轴的中心质量的偏移引起，其中干扰谐振频率等于车轮的旋转频率。动态不平衡由主轴和转动轴在车轮上的对准误差引起，而轴承干扰由球，座圈和保持架等的不规则性引起。
由旋转轮的不平衡和缺陷产生的动力和力矩可在航天器结构中传播。由动态不平衡引起的干扰谐振频率小于旋转频率。与轴承缺陷相比，飞轮的不平衡对低频干扰的产生具有更大的影响。机载卫星的主要微振动聚焦在从0.1Hz到300Hz的频率范围。高于30Hz的干扰被分类为高频，而低于此的微振动被认为处于低频区域。高频干扰主要由动量轮组件引起，以及由反作用轮组件产生的低频微振动。由于旋转机器及其噪声，微振动可能包含非常不同的频率分量，包括谐波，随机，窄带和宽带。随着具有轻量，灵活，大跨度和高精度特点的现代航天器的发展，微振动对在轨航天器的影响变得越来越重要。
许多振动隔离方法已被设计来保护高精度有效载荷免受船上航天器微振动的影响。可以看到用于空间光学望远镜的典型隔离系统，被称为振动隔离和抑制系统（VISS）和已经在航天器中开发和利用的卫星超静音隔离技术实验（SUITE）。VISS和SUITE由六脚架配置中的六个支柱组成，用作敏感的有效载荷或船载航天器的干扰源的支持。许多其他隔离系统被设计为有效载荷的支撑结构，其可以将从航天器的干扰传输的微振动隔离到敏感的有效载荷。还研究了抑制扰动的传播路径中的微振动。
总的来说，可以将四种隔离技术分类用于隔离车载航天器的微振动，例如被动，主动，主动-被动混合和半主动隔离。在本次审查中，将分别讨论这四种类型的隔离方法，包括隔离机制和特性，配置设计和特点，优缺点等。值得注意的是，此后通过探索非线性动力学和振动控制的好处，给出一些新颖的和新兴的隔离方法的特殊部分。该评论将作为关于振动隔离理论和/或方法的最先进（但不全面）的概述，其集中在过去十年中的微振动控制。
2.被动隔离技术
被动隔离技术通常用于提供高性能和稳定性的航天工程中，并且不需要外部功率，其中典型的被动隔振系统如图1所示。振动能量可以通过被动阻尼消散，高频干扰不能通过安装的隔离器传输。被动隔离器设计的主要部分是包括高性能阻尼器，例如粘性流体阻尼器或粘弹性复合阻尼器。一般来说，如果隔离器的基波或谐振频率较低，隔离性能更好。
图1：被动隔振系统的典型图。实施被动隔振不需要外部电源；但在低频范围内的隔离性能在传统的被动隔离系统中通常不是很好。
2.1被动粘滞阻尼支柱
Davis等人设计了具有非常低的基频（1.5Hz）的被动粘滞阻尼支柱（D-strut），以隔离霍尼韦尔HM-1800反作用轮组件（RWA）的干扰。设计的低频隔离装置的目标是减小由具有2至300Hz的频带的RWA发出的动态力和扭矩。D支柱的关键部分是被动阻尼器，其可以衰减频带中的干扰并防止隔离器基频处的高放大。1.5Hz隔离支柱中阻尼器的横截面如图2所示。
图2：阻尼器在1.5Hz隔离支柱中的横截面。
阻尼器由流过两个密封室之间的受控环路的粘性流体组成。当流体通过振动位移泵送通过环空时，机械能可以在流体的剪切中消散。图1中非常重要的设计是次级波纹管，其使得隔离器能够被调谐以提供改进的性能。由于次级波纹管的设计，隔离器是三参数配置，而不是传统的双参数配置，大大提高了隔离性能。三参数和双参数隔离器的动态模型示意图和传递率如图3所示。
三参数配置隔离器是不同于以前的被动隔离器的关键设计，其不仅在高频下而且在低频下具有高隔离性能。如图3所示，三参数隔离器由与阻尼器串联的一个弹簧建模，这与传统的两参数系统不同。具有不同阻尼因子的三参数隔离器的传输性表明它可以在谐振时提供低放大系数。此外，三参数隔离器在比常规双参数隔离器更高的频率下提供更好的隔离。
图3.隔离性能和隔离模型：（a）三参数和双参数隔离器之间的位移传递性比较;（b）双参数隔离器;和（c）三参数隔离器。
图4.低频柔性空间平台由折叠的连续梁组成
2.2折叠连续梁
Kamesh等人设计了由用于安装反作用轮组件的折叠连续梁组成的低频柔性空间平台，其可以有效地用于隔离从发射到车载航天器的高精度有效载荷中的反作用轮的干扰。为了实现被动振动控制，传统的被动隔离器中通常使用诸如粘弹性材料，弹簧，软材料和液压阻尼器的能量耗散部件。但这些被动能量耗散组件受温度影响很大，特别是在航空航天环境中。由折叠的连续梁组成的低频柔性空间平台可以在频率30Hz以上提供良好的抑制效果，而不使用如图4所示的额外的能量耗散装置。在折叠梁隔震器中，静刚度足以支撑车轮组件，但动刚度非常小。因此，它可以提供具有低谐振频率的隔振。然而，在微振动环境中，航空航天结构受到微重力，其中支撑的静刚度也可以设计得非常小。这将有利于具有低等效刚度的系统设计。
2.3其他
Vaillon和Philippe使用与空间环境兼容的弹性体材料来为反应飞轮设计一个被动隔振器。与传统的弹簧阻尼器相比，弹性体材料简单，并且可以获得改进的隔离性能。从实验研究，弹性体材料隔离器的衰减性能在共振时超过40dB，在50Hz以上超过40dB。他们还采用压电晶片和耗散分流电路来代替传统的阻尼以消散振动应变能。然而，衰减效果没有比常规阻尼好得多，并且大结构需要大量的压电晶片。张学者等人提出了悬臂软悬挂系统作为飞轮组件的支撑构造。与传统的刚性悬挂设计相比，软悬挂设计可显着减少车轮感应介质和高频振动（超过约100Hz）。
被动隔振器具有可靠性高，无能量传输的特点，对航天动力环境非常满意。然而，通过使用纯被动隔离技术，低频振动控制效果通常不是很好。低频干扰在航天器结构振动中也是非常重要的，特别是在现代柔性和大跨度航天器中。因此，采用纯被动振动隔离技术隔离低频微振动船载航天器仍然是一个挑战。为了抑制低频区域的微振动，许多研究人员已经研究了主动振动控制技术。
3.主动隔离方法
在主动隔离技术中，外部致动器和传感器通常用于提供控制力和反馈信号，使得可以基于不同的主动控制策略在低频区域中获得良好的隔离。如图5所示，可以通过主动反馈控制来调节系统刚度和阻尼以提高隔离效果。在文献中，主动阻尼技术和主动反相控制技术等通常用于控制车载工艺的微振动。用于微振动隔离的主动支柱技术已经开发了很长时间。为了抑制多自由度系统的微振动，还设计了主动隔离平台。
图5.主动隔振系统的典型图：系统刚度和阻尼可以通过各种主动反馈控制策略进行调整，以提高隔离性能，特别是在低频区域，但需要外部功率，传感器和信号处理
3.1主动阻尼
已经提出了用于车载卫星微振动控制的主动阻尼技术。在这项工作中，主动阻尼通过正位置反馈获得对并置的传感器和致动器，由智能材料，如压电陶瓷晶片生产。低于100Hz的卫星结构的主要模式可以使用传感器和致动器之间的局部正位置反馈来衰减，并且用于最佳控制模式的衰减可以改进大约10-20dB。主动阻尼隔离技术适用于窄带控制，其中模态控制策略用于在给定结构模式下实现阻尼。虽然许多模式可以通过主动阻尼方法来衰减，但当使用上述正位置反馈控制方法时，一些主导模式衰减很小。在主动反相控制技术中，分布式致动器和传感器用于在航天器的特定位置处实现振动衰减，即敏感光学装置的位置。智能传感器和致动器分布在某些特定位置，这些位置不同于通过应用主动阻尼来解决的位置。通过对动态响应的反相补偿，振动衰减可以提高约30-40dB。当干扰是谐波，例如反作用轮不平衡的干扰时，主动反相控制技术的效果非常好。
具有基于主动阻尼技术的嵌入式传感器和致动器（ACESA）振动控制系统的高级复合材料已经用于大型光学支撑结构的振动隔离。ACESA控制系统由三个管状活性构件组成：每个支柱中的嵌入锆钛酸盐（PZT）晶片，允许轴向和在两个弯曲平面中控制变形，九通道数字可编程模拟控制电子单元和400V驱动电子器件。通过控制策略设计，可以在高达100Hz的频率范围内的所有模式下获得主动阻尼。基模阻尼可以实现20％，这比自然阻尼水平大大约两个数量级。此外，压电致动器也已被用于设计用于太阳光学望远镜的图像稳定系统，其可以使低于14Hz的频率的图像的抖动最小化。
3.2智能控制
在大空间结构的微振动控制设计中采用称为自适应神经控制（ANC）方法的智能控制策略，其中在ANC方法中可以进行自优化，在线适应和控制恢复。在ANC程序中，必须开发用于宽带干扰情况的高效和完全自主的神经网络前馈控制策略。它也适合于改变条件，并且最小化外部传输信号的引入。具有执行系统识别的静态神经元的自适应控制和抽头延迟线是ANC系统的主要特征，其可以满足持续的植物干扰和仪器噪声的动态环境，并且不需要先前的建模信息。为振动控制中的先进空间结构开发实用的神经控制器是重要的。组合现有ACESA支柱的六个致动通道，自适应神经控制器可在10-15Hz频带的音调干扰中衰减约25-55dB。这表明在没有预先建模信息的情况下通过自适应抵消系统可以减少精密结构中的微振动，并且在ANC方法中可以成功地避免致动器或传感器中的某些故障。
3.3主动支柱系统
Vaillon等人提出了一种主动支柱的原型，以沿着桁架结构中的干扰的传播路径隔离微振动。微振动的干扰可以通过卫星的主桁架结构传输到敏感的有效载荷。将智能材料嵌入卫星桁架结构中，并且使用主动控制算法，卫星的微振动可以在特定频率下大大衰减。从该试验，证明良好的隔离性能，由此柔性桁架结构的隔离部分的峰值加速度在40至160Hz的频率范围内衰减超过25dB。已经开发了基于主动隔离配件（AIF）的主动振动系统，其可以用于组装成多自由度隔离系统。每个AIF支柱由压电陶瓷堆栈致动器和顶部和底部的加速度计组成。压电陶瓷堆叠
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