第33卷第5期 振动、测试与诊断 Vol.33 No.5 2013年10月 Journal of Vibration,Measurement &Diagnosis Oct.2013 航天器中反作用轮干扰力仿真研究 徐赵东1，翁沉卉12，朱俊涛1 (1.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室南京，210096)(2.广州市设计院广州，510000) 摘要为了评估航天器上存在的反作用轮产生微振动力学环境对其有效荷载的指向精度和稳定度的影响，提出一 种数值模拟航天器振动控制中激励源的新思路。以Ithaco B-wheel测试实验为背景模拟功率谱数据，对航天器飞 轮干扰力经典线性稳态模型进行参数识别。在此基础上，推导了飞轮干扰力功率谱函数，并采用修正傅里叶谱法 得到飞轮干扰力的时程曲线，作为研究航天器隔减振系统的激励源。结果表明，模拟的时程曲线符合反作用轮干 扰力作为微振动力学环境的特征。 关键词微振动：时程曲线；修正傅里叶谱法：反作用轮干扰力经典稳态模型：仿真分析 中图分类号V41 中，建立反作用轮扰动模型是进行数值模拟的关键。 1 问题的引出 目前主要采用经典的线性稳态模型，该模型最早是 由HST反作用轮实验提取出来的，在Matlab中调 相关研究资料)表明，高精度航天器上有效荷 整参数可以适用于不同的反作用轮。 载的指向精度和分辨率性能指标高，对星上的各种 本研究中的拟数据背景是根据Ithaco B-wheel 微小扰动十分敏感。微小扰动是由于航天器在轨运 测试实验[6]，假定飞轮以100r/min的速度从500 行期间由其部件运动诱发，并定义为微振动。 r/min变化到3400r/min,并利用Matlab将反作 NASA戈达德航天中心于1999年对“EOSAM-1” 用轮的时程曲线转化为功率谱瀑布图，如图1所示。 作了微振动及其稳定性的分析计算，发现星体平台 文献[6]说明反作用轮6个自由度方向上的干扰力 中的转动部件对卫星的指向精度和姿态稳定度造成 中径向的干扰力和干扰力矩基本相同，轴向干扰力 明显影响)。反作用轮干扰力航天器中的动量交换 矩可忽略不计。 执行机构，高速转动时不平衡是影响航天器中有效 荷载的主要干扰源。为了评估作为微振动对高精度 航天器有效载荷工作性能的影响，以便采取有效隔 0.08 离减振措施，20世纪90年代末，Bialke]对反作用 之 0.06 轮扰动的来源、实验和数学建模进行了全面阐述。 0.04 NASA于20世纪80年代对HST的反作轮干扰力 0.02 进行了深入研究。Melody!)于1995年利用单个反 0.00 作用轮扰动实验数据导出了反作用轮的随机扰动模 200 转速/(kr·min) 150 100 型。由于采用实验方法进行研究评估反作用轮干扰 50 0 f/Hz 力的方法代价太大，成本过高，并且数据结果具有军 事机密性，在汽车、船舶和机械等领域常常采用随机 图1自拟反作用轮功率谱瀑布图 激励进行仿真的方法降低实验成本[)。由于反作用 轮干扰力属于微振动环境，具有一定的特性，因此采 笔者提出了一种微动力环境激励数值模拟的方 用数值模拟方法进行反作用轮干扰力的仿真。其 法，为高精度航天器在振动控制中激励源的研究提 国家基础研究发展计划(“九七三”计划)资助项目：国家自然科学基金资助项目(11176008)：江苏省高校优势学科建设 项目：常州市科技支撑资助项目(CE20120035) 收稿日期：2012-02-25：修改稿收到日期：2012-06-01书 第３３卷第５期 ２０１３年１０月 振动、测试与诊断 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０１３ 航天器中反作用轮干扰力仿真研究 徐赵东１， 翁沉卉１，２， 朱俊涛１ （１．东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 南京，２１００９６） （２．广州市设计院 广州，５１００００） 摘要 为了评估航天器上存在的反作用轮产生微振动力学环境对其有效荷载的指向精度和稳定度的影响，提出一 种数值模拟航天器振动控制中激励源的新思路。以ＩｔｈａｃｏＢｗｈｅｅｌ测试实验为背景模拟功率谱数据，对航天器飞 轮干扰力经典线性稳态模型进行参数识别。在此基础上，推导了飞轮干扰力功率谱函数，并采用修正傅里叶谱法 得到飞轮干扰力的时程曲线，作为研究航天器隔减振系统的激励源。结果表明，模拟的时程曲线符合反作用轮干 扰力作为微振动力学环境的特征。 关键词 微振动；时程曲线；修正傅里叶谱法；反作用轮干扰力经典稳态模型；仿真分析 中图分类号 Ｖ４１ １ 问题的引出 相关研究资料［１］表明，高精度航天器上有效荷 载的指向精度和分辨率性能指标高，对星上的各种 微小扰动十分敏感。微小扰动是由于航天器在轨运 行 期 间 由 其 部 件 运 动 诱 发，并 定 义 为 微 振 动。 ＮＡＳＡ 戈达德航天中心于 １９９９ 年对“ＥＯＳＡＭ１” 作了微振动及其稳定性的分析计算，发现星体平台 中的转动部件对卫星的指向精度和姿态稳定度造成 明显影响［２］。反作用轮干扰力航天器中的动量交换 执行机构，高速转动时不平衡是影响航天器中有效 荷载的主要干扰源。为了评估作为微振动对高精度 航天器有效载荷工作性能的影响，以便采取有效隔 离减振措施，２０世纪９０年代末，Ｂｉａｌｋｅ［３］对反作用 轮扰动的来源、实验和数学建模进行了全面阐述。 ＮＡＳＡ 于２０世纪８０年代对 ＨＳＴ 的反作轮干扰力 进行了深入研究。Ｍｅｌｏｄｙ［４］于１９９５年利用单个反 作用轮扰动实验数据导出了反作用轮的随机扰动模 型。由于采用实验方法进行研究评估反作用轮干扰 力的方法代价太大，成本过高，并且数据结果具有军 事机密性，在汽车、船舶和机械等领域常常采用随机 激励进行仿真的方法降低实验成本［５］。由于反作用 轮干扰力属于微振动环境，具有一定的特性，因此采 用数值模拟方法进行反作用轮干扰力的仿真。其 中，建立反作用轮扰动模型是进行数值模拟的关键。 目前主要采用经典的线性稳态模型，该模型最早是 由 ＨＳＴ 反作用轮实验提取出来的，在 Ｍａｔｌａｂ中调 整参数可以适用于不同的反作用轮。 本研究中的拟数据背景是根据ＩｔｈａｃｏＢｗｈｅｅｌ 测试实验［６］，假定飞轮以 １００ｒ／ｍｉｎ的速度从 ５００ ｒ／ｍｉｎ变化到３４００ｒ／ｍｉｎ，并利用 Ｍａｔｌａｂ将反作 用轮的时程曲线转化为功率谱瀑布图，如图１所示。 文献［６］说明反作用轮６个自由度方向上的干扰力 中径向的干扰力和干扰力矩基本相同，轴向干扰力 矩可忽略不计。 图１ 自拟反作用轮功率谱瀑布图 笔者提出了一种微动力环境激励数值模拟的方 法，为高精度航天器在振动控制中激励源的研究提  国家基础研究发展计划（“九七三”计划）资助项目；国家自然科学基金资助项目（１１１７６００８）；江苏省高校优势学科建设 项目；常州市科技支撑资助项目（ＣＥ２０１２００３５） 收稿日期：２０１２０２２５；修改稿收到日期：２０１２０６０１