一种发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置

摘要

本发明提供一种发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，能够实现发射段高刚度高阻尼、在轨段低刚度低阻尼的变刚度需求，实现发射段减振和在轨段隔振功能一体化，同时具有很高的可靠性。包括载荷平台、隔振模块以及连接支撑模块。其中隔振模块的上下两端分别与载荷平台和连接支撑模块相连，隔振模块为封闭式并联结构，可实现发射段对力学环境的大承载、高可靠性能要求；同时采用对称、倾斜支撑设计，实现空间坐标系下三向等刚度、等基频功能，具有较好的稳定性。通过双向调节橡胶隔振组件压缩量，实现变刚度设计要求，针对复杂空间力学环境具有较强的适应能力。该支撑装置质量轻、尺寸小、结构简单、制造成本低，应用前景广阔。

权利要求

1.一种发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，其特征在于，包括：载荷平台、隔振模块和连接支撑模块；

所述隔振模块设置在所述载荷平台和所述连接支撑模块之间，包括：三个以上变刚度隔振器(3)；

所述变刚度隔振器(3)包括：弹簧隔振组件和橡胶隔振组件；所述弹簧隔振组件包括：端盖(31)、限位筒I(33)、螺旋弹簧(38)和限位筒II(39)；所述限位筒I(33)和所述限位筒II(39)同轴相对放置，且相对面之间具有设定距离的间隔；所述端盖(31)螺纹连接在所述限位筒I(33)的开口端；所述螺旋弹簧(38)套装在所述限位筒I(33)和限位筒II(39)的外部，其两端分别通过紧固件与所述限位筒I(33)和限位筒II(39)相连；

所述橡胶隔振组件包括：两个橡胶垫(34)、活塞杆(35)和限位螺母；所述活塞杆(35)一端同轴位于限位筒I(33)内部，另一端穿出所述限位筒I(33)，伸入所述限位筒II（ 39） 内部；所述活塞杆(35)位于限位筒I(33)内部分的中部具有轴肩，该轴肩将所述限位筒I(33)的内部空间分为上下两部分，在上下两部分空间内各安装一个橡胶垫(34)；所述活塞杆(35)伸入所述限位筒II(39)内的部分通过螺纹连接限位螺母，所述限位螺母与所述限位筒II(39)的内底面抵触；

调节所述端盖(31)与所述限位筒I(33)螺纹配合的长度，能够调节位于限位筒I(33)内上部空间内橡胶垫(34)的压缩量；调节所述限位螺母与所述活塞杆(35)螺纹配合的长度，能够调节位于限位筒I(33)内下部空间内橡胶垫(34)的压缩量，由此通过双向调节所述橡胶隔振组件压缩量，实现变刚度；

令所述连接支撑模块上表面的法线方向为x向，连接支撑模块上表面内左右方向为y向，垂直于xy平面的方向为z向；

所述隔振模块包括：四个所述变刚度隔振器(3)，四个所述变刚度隔振器(3)两两一组，左右对称分布在所述载荷平台和所述连接支撑模块之间；

所述变刚度隔振器(3)向内倾斜设置，其轴线与y向之间的夹角为β；

每组中的两个所述变刚度隔振器(3)朝其相对方向倾斜设置，每组中两个所述变刚度隔振器(3)轴线之间的夹角为α；

夹角β和夹角α的值保证所述隔振模块在x,y,z三个方向上的刚度分量相同；

在发射段大振动载荷作用下，通过所述活塞杆(35)的毫米级位移，双向动态压缩橡胶垫，实现减振；在轨段，所述橡胶隔振组件处于微振动力学环境，所述活塞杆(35)的位移为微米级，所述橡胶垫无恢复力产生，实现隔振。

2.如权利要求1所述的发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，其特征在于：三个以上所述变刚度隔振器(3)的轴线相交于所述载荷平台的质心处。

3.如权利要求1所述的发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，其特征在于：所述载荷平台包括：载荷安装板(1)和上支架(2)，所述载荷安装板(1)对外提供载荷安装面，所述上支架(2)与所述变刚度隔振器(3)一一对应，所述变刚度隔振器(3)通过所述上支架(2)与所述载荷安装板(1)相连；

所述上支架(2)与所述变刚度隔振器(3)的连接面为斜面B，所述斜面B的法线方向与y向之间的夹角为β。

4.如权利要求1所述的发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，其特征在于：所述连接支撑模块包括：基座(5)和下支架(4)，所述下支架(4)与所述变刚度隔振器(3)一一对应，所述变刚度隔振器(3)通过所述下支架(4)与所述基座(5)相连；

所述下支架(4)与所述变刚度隔振器(3)的连接面为斜面A，所述斜面A的法线方向与y向之间的夹角为β。

5.如权利要求1或2或3所述的发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，其特征在于：在所述限位筒I(33)和限位筒II(39)端面上相对位置各设置一个定位螺钉(32)。

6.如权利要求1或2或3所述的发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，其特征在于：在所述活塞杆(35)伸入所述限位筒II(39)内部分的内外两侧各通过螺纹连接一个限位螺母，分别令为外侧限位螺母(37)和内侧限位螺母(36)；所述外侧限位螺母(37)与所述限位筒II(39)端面抵触，所述内侧限位螺母(36)与所述限位筒II(39)的内底面抵触。

7.如权利要求1或2或3所述的发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，其特征在于：在所述限位筒I(33)的外圆周面上设置有通孔作为观察窗口。

说明书

一种发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种载荷支撑装置，具体涉及一种用于航天器中抗力学环境及在轨隔振一体化的载荷支撑装置，属于航天器减隔振技术领域。

背景技术

[0002] 随着航天器技术的快速发展，航天器有效载荷的精度、敏感度和复杂度不断提升，一方面，在发射阶段，需要降低有效载荷安装处的振动量级，防止火箭引起的振动环境对高
精度载荷造成损伤；另一方面，在在轨工作阶段，需要降低星上运动部件(如控制力矩陀螺、
反作用轮、太阳翼驱动机构等)产生的微振动干扰，保证有效载荷的精度满足要求。

[0003] 工程中通常采用特殊的载荷支撑装置满足以上需求，但是这两种需求对载荷支撑装置的要求具有一定的矛盾性。对于发射段的减振要求，载荷支撑装置既需要有较高的阻
尼，通过阻尼效应降低发射段的振动量级，也需要有较高的刚度，避免与航天器结构发生共
振耦合并提高载荷支撑装置的承载能力。对于在轨段的隔振要求，载荷支撑装置则需要具
有较低的阻尼，避免阻尼太大降低隔振效率，同时也需要具有较低的频率，从而避开扰源的
振动激励频率，提高中高频段隔振的效果。上述两方面的矛盾需求给载荷支撑装置的设计
造成了极大的困难。

[0004] 目前，航天器减隔振装置相关专利有：(1)一种并联桁架式CMG群减隔振装置，采用多根隔振杆并联组合，通过桁架布局的形式实现对多个CMG的整体隔振，并可通过调整隔振
杆布局角度以及隔振器刚度、阻尼参数，实现隔振系统特性的调整，以适应不同型号的CMG
减隔振要求(专利号ZL201610329702.3)；(2)一种微幅高承载高阻尼微动隔振器，采用外部
主刚度弹簧与内部流体阻尼并联，实现对微振动的高度敏感，有效提高微振动、高精度的航
天器在轨振动控制(申请号201618001923.9)；(3)一种主被动一体化的四足会聚式隔振器，
采用三足斜置式支撑，通过加入压电陶瓷与隔振弹簧和金属橡胶并联提高承载能力，且具
有较好的抑制共振峰值作用(申请号CN201810057862.6)；(4)一种三向刚度可调隔振器，通
过调节上下对称的八片弓形弹簧片与中心螺杆之间的径向和轴向距离，从而实现自身刚度
的调节，能够使用不同振动工况需求，具有较宽的振动环境使用范围(申请号
201710560814.4)；(5)一种可变刚度的隔振器，通过磁流变弹性体剪切方向上刚度的变化
来隔振或减振，使其在振源频率不断变化的情况下也能达到较好的减振效果(申请号
CN201120115405.1)；(6)变刚度调节型橡胶隔振器，通过夹紧机构调整橡胶所受到的预紧
力大小来改变橡胶隔振器的刚度和固有频率(申请号CN200720076571.9)；(7)一种变刚度
抗冲击钢丝绳隔振器，通过调节螺旋弹簧与橡胶导柱之间的间距实现变刚度功能和变固有
频率特性(申请号CN201210449630.8)；(8)专利：一种可以降低非线性效应的隔振单元模
块，采用“S”型结构与振源和基体连接，并在其间距中设置橡胶垫，可以有效降低振动传递，
具有较好的承载能力(申请号US201415033600)。

[0005] 上述专利所设计的隔振装置，有助于实现高承载，具有较好的抗力学环境以及良好的高频隔振效果，且可抑制共振频段的峰值响应，但仍存在一些不知之处，具体表现在：

[0006] (1)单一提高承载能力而无法兼顾变刚度，适用环境受限。传统的隔振器虽采用隔振弹簧与橡胶并联以增加其承载能力，但因其无法实现变刚度调节，继而导致针对复杂力
学环境下无法实现固有频率的调节，应用环境受限。而针对加入主动控制环节以实现变刚
度、变阻尼功能虽能有效提高适应性，但同时增加了系统的复杂程度，从而降低了可靠性。

[0007] (2)低阶固有频率分布较散，减隔振效果不理想。针对复杂空间力学环境，需使得隔振装置自身低阶固有频率能够避开所有外部干扰频点，以及有效载荷工作扰振频点。现
有隔振器因其自身固有频率分布较散，无法实现有效避开上述干扰频点，易与整星结构及
有效载荷发生耦合共振。理想的隔振装置能够实现等刚度、等频率设计，分布集中易于躲避
共振点。

发明内容

[0008] 有鉴于此，本发明提供一种发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，能够实现发射段高刚度高阻尼、在轨段低刚度低阻尼的变刚度需求，实现发射段减振和在轨
段隔振功能一体化，同时具有很高的可靠性。

[0009] 所述的发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置包括：载荷平台、隔振模块和连接支撑模块；

[0010] 所述隔振模块设置在所述载荷平台和所述连接支撑模块之间，包括：三个以上变刚度隔振器；

[0011] 所述变刚度隔振器包括：弹簧隔振组件和橡胶隔振组件；所述弹簧隔振组件包括：端盖、限位筒I、螺旋弹簧和限位筒II；所述限位筒I与所述限位筒II同轴相对放置，且相对
面之间具有设定距离的间隔；所述端盖螺纹连接在所述限位筒I的开口端；所述螺旋弹簧套
装在所述限位筒I和限位筒II的外部，其两端分别通过紧固件与所述限位筒I和限位筒II相
连；

[0012] 所述橡胶隔振组件包括：两个橡胶垫、活塞杆和限位螺母；所述活塞杆一端同轴位于限位筒I内部，另一端穿出所述限位筒I，伸入所述限位筒II39内部；所述活塞杆位于限位
筒I内部分的中部具有轴肩，该轴肩将所述限位筒I的内部空间分为上下两部分，在上下两
部分空间内各安装一个橡胶垫；所述活塞杆伸入所述限位筒II内的部分通过螺纹连接限位
螺母，所述限位螺母与所述限位筒II的内底面抵触；

[0013] 调节所述端盖与所述限位筒I螺纹配合的长度，能够调节位于限位筒I内上部空间内橡胶垫的压缩量；调节所述限位螺母与所述活塞杆螺纹配合的长度，能够调节位于限位
筒I内上部空间内橡胶垫的压缩量。

[0014] 优选的：令所述连接支撑模块上表面的法线方向为x向，连接支撑模块上表面内左右方向为y向，垂直于xy平面的方向为z向；

[0015] 三个以上所述变刚度隔振器倾斜设置，使所述隔振模块在x,y,z三个方向上的刚度分量相同。

[0016] 优选的：三个以上所述变刚度隔振器的轴线相交于所述载荷平台的质心处。

[0017] 优选的：所述隔振模块包括：四个所述变刚度隔振器，四个所述变刚度隔振器两两一组，左右对称分布在所述载荷平台和所述连接支撑模块之间；

[0018] 所述变刚度隔振器向内倾斜设置，其轴线与y向之间的夹角为β；

[0019] 每组中的两个所述变刚度隔振器朝其相对方向倾斜设置，每组中两个所述变刚度隔振器轴线之间的夹角为α；

[0020] 夹角β和夹角α的值保证所述隔振模块在x,y,z三个方向上的刚度分量相同。

[0021] 有益效果：

[0022] (1)弹簧隔振组件与橡胶隔振组件采用封闭式并联设计，有效实现了抗力学环境下的大承载，高可靠性能要求。通过限位筒I与活塞杆双重空间配合，不仅能够有效提高刚
度，增加其在发射段抗力学环境的承载能力，而且有助于降低发射段振动响应峰值，改善橡
胶隔振组件在轨工作环境需求。

[0023] (2)可双向调节橡胶隔振组件压缩量，实现变刚度设计要求，适应性更强。通过调节端盖与限位筒I，以及活塞杆与限位螺母的螺纹配合长度，可调节上、下两层橡胶垫的压
缩状态，以实现隔振模块的变刚度调节，从而增加躲避所有外部干扰频点以及有效载荷的
灵活性，对复杂空间力学环境的适应能力更强。

[0024] (3)针对变刚度隔振器实行对称分布、倾斜支撑设计，能够实现空间坐标系下的三向等刚度设计要求；通过将多个变刚度隔振器均布对称支撑在载荷平台下方，且通过使多
个变刚度隔振器的轴线相交于载荷平台的质心处，易于实现支撑装置的三向基频等值，使
其低阶固有频率分布紧凑，能够有效躲避外部众多干扰频点以及有效载荷自身工作扰振频
点，具有较好的稳定性。

附图说明

[0025] 图1为本发明在轨隔振一体化高承载载荷支撑装置整体结构图；

[0026] 图2为本发明支撑装置隔振模块结构剖面图；

[0027] 图3为本发明支撑装置隔振模块结构俯视图；

[0028] 图4为本发明支撑装置连接支撑模块的倾斜角度与布置方式示意图。

[0029] 其中：A‑载荷平台，B‑隔振模块，C‑连接支撑模块，D‑弹簧隔振组件，E‑橡胶隔振组件，1‑载荷安装板，2‑上支架，3‑变刚度隔振器，4‑下支架，5‑基座，31‑端盖，32‑定位螺钉，
33‑限位筒I，34‑橡胶垫，35‑活塞杆，36‑内侧限位螺母，37‑外侧限位螺母，38‑螺旋弹簧，
39‑限位筒II。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0031] 本实施例提供一种发射段减振和在轨段隔振一体化的载荷支撑装置，为克服现有隔振装置自身低阶模态分布较宽，易与航天器结构发生共振耦合的问题，该载荷支撑装置
采用空间三向等刚度布局设计，实现载荷支撑装置低阶模态集中分布，有效避开航天器结
构自身频率；同时为克服现有被动隔振器不能调节刚度，主动隔振器刚度调节方式复杂可
靠性低的问题，采用被动式变刚度设计，通过双向调节设计，实现发射段高刚度高阻尼、在
轨段低刚度低阻尼的变刚度需求。

[0032] 如图1所示，该载荷支撑装置包括：载荷平台A、隔振模块B和连接支撑模块C。载荷平台A包括：载荷安装板1和上支架2，上支架2通过紧固件(如螺钉)连接在载荷安装板1下表
面，载荷安装板1上表面作为载荷安装面；连接支撑模块C包括：下支架4和基座5，下支架4通
过紧固件(如螺钉)连接在基座5上表面；隔振模块B位于载荷平台A和连接支撑模块C之间，
上下两端分别与上支架2和下支架4通过紧固件(如螺钉)连接，保证其连接可靠。

[0033] 隔振模块B由两组以上变刚度隔振器3构成，本实施例中，隔振模块B由四组变刚度隔振器3构成(对应在载荷平台A中具有四个上支架2，连接支撑模块C中具有四个下支架4)。
如图2和图3所示，变刚度隔振器3包括弹簧隔振组件D和橡胶隔振组件E两部分。其中橡胶隔
振组件E位于弹簧隔振组件D内部的封闭空间中，有助于保证橡胶隔振组件E的在轨工作环
境，防止空间恶劣环境对橡胶隔振组件E工作性能的影响。

[0034] 其中，弹簧隔振组件D包括：端盖31、限位筒I33、螺旋弹簧38和限位筒II39。限位筒I33和限位筒II39均为一端开口，一端加工有过孔的筒形结构，且限位筒I33和限位筒II39
的开口端均设置有轴肩；端盖31螺纹连接在限位筒I33的开口端，封闭限位筒I33的开口端；
限位筒I33和限位筒II39同轴放置，且限位筒I33的开口端朝上，加工有过孔的一端与限位
筒II39加工有过孔的一端相对，且其相对面之间具有设定距离的间隔；螺旋弹簧38套装在
限位筒I33和限位筒II39的外部，其两端分别通过紧固件(如螺钉)与限位筒I33和限位筒
II39开口端的轴肩连接。限位筒I33和限位筒II39开口端的轴肩上的相对位置各设置一个
定位螺钉32，方便其在安装过程中能够实现有效定位。

[0035] 橡胶隔振组件E包括：橡胶垫34、活塞杆35、内侧限位螺母36和外侧限位螺母37；其中活塞杆35一端同轴位于限位筒I33内部，另一端依次穿过限位筒I33和限位筒II39端部的
过孔，位于限位筒II39内部；活塞杆35位于限位筒I33内部的部分为“十”型结构，即活塞杆
35位于限位筒I33内部的中部加工有轴肩，该轴肩将限位筒I33的内部空间分为上下两部
分，在上下两部分空间内各安装一个橡胶垫34，橡胶垫34通过端盖31进行压实。活塞杆35穿
过限位筒II39端部过孔的一端具有外螺纹，在限位筒II39过孔的外侧和内侧分别设置有与
活塞杆35上的外螺纹螺纹配合的外侧限位螺母37和内侧限位螺母36，通过内侧限位螺母36
和外侧限位螺母37将活塞杆35拧紧于限位筒II39中，其中外侧限位螺母37和内侧限位螺母
36可以采用双螺母放松或涂覆螺纹防松胶，防止使用过程中发生松动。为方便活塞杆35的
装配及调试，在活塞杆35伸入限位筒II39端的端面上加工有用于和外部工具(如螺丝刀)配
合的“一”字槽，安装外侧限位螺母37和内侧限位螺母36时以及调节外侧限位螺母37与活塞
杆35的螺纹连接长度时，通过螺丝刀与活塞杆35端部的“一”字槽配合顶住活塞杆35，使活
塞杆35不随螺母转动。

[0036] 通过调节端盖31与限位筒I33螺纹配合的长度，以及活塞杆35与限位螺母螺纹配合的长度，能够实现对上、下两层橡胶垫压缩状态的调节，以实现隔振模块的变刚度调节作
用。

[0037] 为方便安装时对限位筒I33内橡胶垫压缩状态的观察，在限位筒I33的外圆周面上加工有通孔作为观察窗口。

[0038] 如图4所示，令基座上表面法线方向为x向，基座上表面内左右方向为y向，垂直于xy平面的方向为z向，建立空间坐标系；为实现三向等刚度设计，即变刚度隔振器3在x,y,z
三个方向上的刚度分量相同，对变刚度隔振器3采用如下布置方式：

[0039] 变刚度隔振器3通过紧固件(如螺钉)连接在与之对应的下支架4和上支架2之间，其中下支架4与变刚度隔振器3的连接面为斜面A，上支架2与变刚度隔振器3的连接面为与
斜面A平行的斜面B，斜面A和斜面B的法线方向与水平方向之间的夹角为β。变刚度隔振器3
的轴线与两个斜面的法向方向平行，由此使变刚度隔振器3与上支架2和下支架4连接后，具
有一定的倾斜角度β，即变刚度隔振器3向内向上倾斜，变刚度隔振器3的轴线与水平方向之
间的夹角为β。四个变刚度隔振器3分布在基座5上表面四个角的位置，且左右对称分布；其
中位于同侧(左侧或右侧)的两个变刚度隔振器3向内倾斜，使位于同侧(左侧或右侧)的两
个变刚度隔振器3轴线之间的夹角为α，通过对角度值β及角度值α进行设计，使变刚度隔振
器3中螺旋弹簧38在x,y,z三个方向上的刚度分量相同，从而实现空间坐标系下的三向等刚
度设计，保证支撑装置低阶模态分布紧凑，有效避免发射段及在轨段的耦合共振，且优选的
将四个变刚度隔振器的轴线相交于载荷平台的质心处，易于实现支撑装置的三向基频等
值。倾斜角度值β及侧倾角为α可根据有效载荷质量特性进行分析设计，以实现上述功能要
求。

[0040] 由此在发射段大振动载荷作用下，通过活塞杆35的毫米级位移，实现双向动态压缩橡胶，增大支撑装置的动态结构阻尼，大量耗散振动能量，迅速衰减振动能量，保证发射
段良好的减振效果。在轨段，橡胶隔振组件E处于微振动力学环境，活塞杆35的位移一般为
微米级，橡胶压缩量极小，通常无恢复力产生，从而降低了支撑装置的频率，提高高频隔振
效果。

[0041] 该载荷支撑装置为变刚度隔振系统，只要对弹簧隔器振组件、橡胶隔振组件相关尺寸和技术参数，以及布置方式及倾斜角度进行适应性修改，就可以满足不同有效载荷发
射段抗力学环境需求和在轨段隔振性能要求，具有较高的通用性，应用前景广阔。

[0042] 经过对该载荷支撑装置模态与频响分析及试验证明，该载荷支撑装置达到了主动段的高承载能力与在轨段的较好减振效果，且能够有效躲避外部所有干扰频点的耦合共
振。同时，该载荷支撑装置质量轻、尺寸小、结构简单，制造成本低，具有很好的适应性。

[0043] 综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。