主动隔振:乘天舟一号不“晕船”
出品:科普中国
制作:中国科学院空间应用工程与技术中心 杨吉 董文博
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  编者按: 

  刚刚成功发射的天舟一号,除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加,还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。 

  中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位,代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广,具体承担工程研制的组织管理,系统设计、集成、测试,可靠性保障,在轨技术支持,有效载荷运控管理,数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。  

  在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持! 

 

  在生活中,我们手里拿着一杯满满的水,走动时水就会洒;我们手里拿着相机,如果发生抖动,照片就会模糊。在工业生产中,静密加工平台中遇到振动,就会造成加工失败;结晶体中遇到振动,晶体生长就会出现瑕疵;吊舱相机中发生晃动,会影响图像质量。 

  而航天器上,虽然处于微重力环境,但是由于星上、船上的姿轨控、风机、飞轮、帆板的动作,带来了很多扰动 

  科学实验(流体、材料、基础物理)如果不能克服这些微扰动,就达不到理想的微重力效果,失去了上天实验的意义。此外,星上的高分辨对地观测相机、天文相机,如果遇到振动,就会发生成像模糊。激光通信、激光扫描,如果遇到船体振动,就会造成光线发散,能量耗散。 

  所以,一定要隔离振动,才能给航天器创造更好的条件。 

    

  主动隔振技术是什么? 

  隔振有被动隔振和主动隔振的区别。采用被动隔振,加弹簧或阻尼就可以,自行车的车坐上都有;但弹簧有共振频点,隔振水平也一般,不能满足高指标要求的隔振 

  而根据微重力科学实验的要求,要做到隔离1Hz以下的振动(或者叫做晃动);而且要达到0.0001g以下的水平(地面的重力是1g,汽车路面振动一般小于0.1g),才能获得更好的微重力环境水平,实现更理想的科学研究成果。在这种情况下,我们的科研人员开始研发主动隔振技术。 

    

  本次天舟一号“主动隔振关键技术验证”任务由中国科学院空间应用工程与技术中心负责。该项目经过了从科学论证到技术攻关、从实验室技术到高可靠产品的历程,可以说是“十年磨一剑”。 

  项目组来自各个专业方向的团队,平均年龄35岁以下。依靠大家的齐心协力和共同努力,终于搭上了天舟的班车。 

    

  天舟一号上的主动隔振装置有两个主要目标: 

  第一、在空间进行六自由度主动隔振关键技术验证,评估六自由度主动隔振控制算法,测试验证主动隔振系统的功能和性能指标; 

  第二,在飞船平稳期为非牛顿实验检验关键技术验证装置提供高水平微重力环境。 

  这项技术属于国内首次实施,将使我国成为继美国和加拿大后第3个在轨采用主动隔振控制技术服务于空间微重力实验研究的国家;将极大支持和推动空间站高微重力实验平台的研制建设,取得的技术成果可以直接服务于未来我国空间站阶段的空间科学实验载荷。 

  

  主动隔振装置电控箱和主体 

    

  主动隔振技术如何实现“主动出击” 

  那么这项技术的原理和装置构成是什么呢? 

  主动隔振系统由定子和浮子两部分构成,利用磁悬浮主动控制技术,使浮子和定子非接触,从而隔离来自飞船平台的振动。控制器通过加速度计感知浮子加速度的变化,通过位置敏感器感知定子浮子相对位置的变化,并计算反馈电流,驱动电磁激励器,形成闭环控制。 

  主动隔振装置由主体和电控箱两台单机构成,非牛顿引力验证装置安装在主体的浮子上,通过屏蔽罩封闭。 

  

  主动隔振装置工作原理 

  

  主动隔振装置地面测试高频隔振效果(红色是定子、蓝色是浮子) 

    

  未来,我们想继续推广主动隔振技术在空间的应用。 

  天舟一号的搭载是我们的“小目标”,我们的长期目标是做强空间磁悬浮主动隔振的技术,为更多空间应用载荷服务,例如空间光学相机、激光通信等,助力他们达到更高的指标水平,实现更高的科学和技术成果。 

  如果有可能的话,我们的技术也可以在航空光学吊舱、车船减振、工业精密加工、相机防抖等方方面面发挥作用。 

    

  项目团队成员合影 

  (前排:董文博、周妍林、白晨红、王婷、桑晓茹、康博齐、刘桂芝、元媛、高玉娥 

  后排:任国荣、于梦溪、刘伟、吕世猛、张永康、杨鹏、王安平、李宗峰。) 

    

  空间科学、空间应用、空间技术是空间三驾马车。要想实现从航天大国到航天强国的跨越,就要不断的提升我们的载荷技术水平,在细节上、在精度上、在性能上的指标上达到更高的高度,使我们步入强国之列。 

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