面向薄膜子镜的磁致伸缩柔顺张紧装置协同隔振机理及优化设计研究

The tensioning device for membrane sub-mirror directly affects the observation performance of the next generation space telescope with segmented mirrors. The traditional multi-actuator cooperative scheme could not suppress the medium and high frequency micro-vibration, meanwhile could cause problems such as overweight and oversize of the system, excessive energy loss and overburdened on-orbit maintenance and so on. Aiming at these problems, a new way by combining of giant magnetostrictive actuator and compliant mechanism is proposed in this research. Firstly, the principle scheme of the compliant tensioning device is designed, and the corresponding parametric output transfer function model and vibration transfer function model are established respectively, in order to reveal the quantitative relationship between structural parameters and performances, as well as the collaborative vibration isolation mechanism. Then, the energy transfer process of the system is analyzed, and the electric-magnetic-mechanical coupling energy consumption model is constructed, in order to investigate the influence rule between structural parameters and energy consumption and propose the optimization design method considering output performance, vibration isolation performance and energy consumption. Finally, the rigid-flexible coupling dynamic model of the whole system is established, and the feasibility of collaborative vibration isolation mechanism and optimization design method could be verified by building system simulation block diagram and experimental test system, respectively. This study is capable of providing theoretical support for the collaborative vibration isolation mechanism and optimization design of compliant tensioning device driven by giant magnetostrictive actuator, meanwhile lay the foundation for its application in the field of membrane sub-mirror.

薄膜子镜张紧装置直接影响下一代空间拼接镜面望远镜的观测性能。传统多驱动器协同方案不具备中、高频微振动隔振功能，且所需辅助设备过多，会造成系统质量、尺寸过大,能源损耗、在轨维护负担过重等问题。采用磁致伸缩驱动和柔顺机构技术能为上述问题的解决提供一种新途径。为此，本项目重点围绕下述内容展开：首先，进行柔顺张紧装置方案设计，建立参数化输出传递函数模型和振动传递函数模型，研究结构参数与输出性能和隔振性能间的量化关系，揭示柔顺张紧装置的协同隔振机理；其次，分析系统能量传递过程，建立磁致伸缩驱动到柔顺张紧装置的电-磁-机耦合能耗模型，阐明各参数与能量损耗间的影响规律，提出兼顾输出、隔振与能耗的优化设计方法；最后，建立全系统刚柔耦合动力学模型，搭建系统仿真框图和实验测试系统，进行协同隔振机理及优化设计验证。本研究可为磁致伸缩柔顺张紧装置的协同隔振及优化提供理论支撑，并为其在薄膜子镜领域的应用奠定基础。

拼接镜面望远镜作为在轨望远镜的一种可靠实现型式，采用薄膜镜面进行拼装无论从发射升空角度抑或运载成本角度都是航天工程的一种理想选择。薄膜发射升空，进行在轨拼装，其由压缩态到张紧态需要张紧装置进行精密调控。然而当前采用多驱动器协同方案大多不具备中、高频微振动隔振功能，且所需辅助设备过多，会造成系统质量、尺寸过大，能源损耗、在轨维护负担过重等一系列问题。本研究考虑采用智能材料磁致伸缩驱动和柔顺机构技术来为上述问题的解决提供一种新途径。.因此，项目首先进行了新型薄膜镜面柔顺张紧装置方案的原理设计，分析了不同方案的作动机理，并建立了相应的解析模型，结合有限元仿真模拟手段，对建立的理论模型进行了验证；在此基础上研究了结构参数与输出性能和隔振性能间的量化关系，揭示了柔顺张紧装置的协同隔振机理。.其次，为实现整个方案装置的优化设计，提出了全系统能量流的优化思路。分析了系统能量传递过程，对关键能量传递环节，建立了从磁致伸缩驱动到柔顺张紧装置的电-磁-机耦合能耗模型；分析了各参数与能量损耗间的影响规律，进而提出兼顾输出、隔振与能耗的优化设计方法，实现了整个装置的优化设计。.最后，对整个方案装置建立了全系统等效动力学模型，进而基于Simulink搭建了系统仿真框图模型，研究了方案的等效张紧与隔振性能；进一步，加工组装了原型样机，并设计了实验测试系统，通过等效实验验证了所提方案的实际效果以及所提的设计理论的有效性。.通过本课题的研究，能为下一代在轨空间望远镜基础部件的研制垫定一定基础。所提出的基于超磁致伸缩驱动材料的柔顺张紧装置方案具有一定的前瞻性，在研究过程中采用的相关优化策略和设计方法，能为薄膜子镜的张紧和隔振提供理论基础，最终得到的一系列成果和结论具有重要的科学意义。