[科普中國]-航天器顫振

簡介

航天器顫振現(xiàn)象是一種比較復(fù)雜的氣動(dòng)彈性力學(xué)不穩(wěn)定現(xiàn)象,是結(jié)構(gòu)彈性力、自身慣性力和氣動(dòng)力共同作用下形成的系統(tǒng)自激振動(dòng)1。航天器顫振主要有兩部分構(gòu)成:熱效應(yīng)及諧波激勵(lì)。航天器顫振給航天器的姿態(tài)響應(yīng)和數(shù)據(jù)信號獲取等帶來不穩(wěn)定因素，甚至導(dǎo)致航天器失效。

組成航天器顫振主要有兩部分構(gòu)成:熱效應(yīng)及諧波激勵(lì)。

熱效應(yīng)當(dāng)航天器從陰影區(qū)進(jìn)入日照區(qū)時(shí)，航天器受到的太陽輻射熱流會(huì)驟然增加，很容易引起航天器產(chǎn)生不必要的振動(dòng)，即熱振動(dòng)效應(yīng)。

諧波激勵(lì)在頻率波動(dòng)的諧波激勵(lì)情況下，振動(dòng)頻率變化范圍和速度都會(huì)對實(shí)時(shí)控制產(chǎn)生影響，其中頻變速度影響更大些。且在一定范圍內(nèi)，可以在理論上實(shí)現(xiàn)控制，并取得明顯的控制效果。當(dāng)振動(dòng)頻率變化速度增大時(shí)，將越來越難以實(shí)現(xiàn)有效的控制。

影響為了順利完成任務(wù)，要求航天器盡可能不受外界干擾而維持正常的工作狀態(tài)，但特殊的空間熱輻射環(huán)境很可能導(dǎo)致航天器不能正常工作。多數(shù)航天器在軌道飛行期間，會(huì)周期性進(jìn)出日照區(qū)和陰影區(qū)，使航天器經(jīng)歷冷熱交變以及沖擊熱載荷作用，特別是當(dāng)航天器從陰影區(qū)進(jìn)入日照區(qū)時(shí)，航天器受到的太陽輻射熱流會(huì)驟然增加，很容易引起航天器產(chǎn)生不必要的振動(dòng)，即熱致振動(dòng)，而給航天器的姿態(tài)響應(yīng)和數(shù)據(jù)信號獲取等帶來不穩(wěn)定因素，甚至導(dǎo)致航天器失效。

對衛(wèi)星的影響在姿態(tài)調(diào)整動(dòng)量輪、調(diào)姿推力器以及外界擾動(dòng)等因素下，地面目標(biāo)在成像器件上位置發(fā)生了變化，這種變化在不同的成像方式下，對圖像質(zhì)量造成的影響不同。

在顫振影響下，在星載相機(jī)設(shè)定的曝光時(shí)間內(nèi)，額外的顫振會(huì)導(dǎo)致地面目標(biāo)在成像器件上位置發(fā)生了變化。此時(shí)，若采用面陣凝視成像，傳感器像面的同一位置會(huì)接受物面不同點(diǎn)的亮度信息，導(dǎo)致圖像分辨率降低；若采用 TDI 相機(jī)，像在像面的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)與 TDI 相機(jī)預(yù)先設(shè)定的電荷轉(zhuǎn)移速度失配，像面出現(xiàn)傾斜錯(cuò)亂并模糊的現(xiàn)象2。

對飛機(jī)的影響當(dāng)?shù)孛骘w機(jī)受擾動(dòng),會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng),但由于系統(tǒng)阻尼作用,振動(dòng)迅速衰減,結(jié)構(gòu)恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。同樣,飛機(jī)飛行過程中,在復(fù)雜外力作用下,也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。如果飛行速度小于一定值,這種振動(dòng)會(huì)在阻尼作用下衰減。如果飛行速度太大,這種振動(dòng)會(huì)趨于發(fā)散。當(dāng)這種振動(dòng)幅值維持恒定時(shí),飛行速度就是顫振速度,是穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的臨界值。