● 摘要
随着航天科技的飞速发展，航天器及其应用在多个关乎国计民生的领域扮演着越来越重要的角色。其中，高精度高灵敏度光学观测、超远距离高能定向信号传输等技术将会给相应领域带来革命性的变化，同时也带来航天技术新挑战。实现高水平空间应用的共性前提条件是具有高精度指向和极低振动噪声的有效载荷航天器平台，因此，飞轮高速旋转所产生的扰振通过结构传输影响载荷精度的问题就凸现出来。
本文以机械飞轮和磁悬浮飞轮的振动抑制为目标，主要研究内容包括以下几个方面：
1、针对机械飞轮结构特点，提出了除转子不平衡因素外，轴承零件形状偏差激励是引起飞轮扰振另一主要因素的假设。在推演了轴承零件形状偏差激励和不平衡激励模型的基础上，利用分析力学理论建立了高速转子的径向动力学模型，解释了其微振动中的双“V”字形模态频率曲线；采用△-Y等效变换计算转子轴向刚度并建立了其轴向动力学模型。结合某型号机械飞轮进行扰振测试及参数数值仿真，仿真结果与扰振实测数据的频域特征相吻合，验证了假设的合理性以及模型的正确性；
2、推导了机械飞轮—隔振器系统动力学方程，分析了隔振器六自由度扰振传递特性，引入刚度中心概念实现在不考虑陀螺效应的情况下机械飞轮—隔振器系统在六个方向运动的完全解耦。在此基础上围绕系统隔振要求进行了隔振器弹性单元的设计以及隔振器参数仿真，机械飞轮—隔振器系统实际扰振测试数据表明，扰振传递特性与仿真分析相吻合，在耦合频率后扰振力随转速提升呈显著衰减趋势，振动幅值衰减率优于90%；
3、首次建立了一种新型五轴主动控制磁轴承飞轮转子较为完整的动力学模型。在进行转子不平衡分析的基础上进一步推导了包含非理想特性的磁轴承磁力模型、位移传感器模型和功率放大器及磁轴承控制器模型，发现了传感器噪声引起磁悬浮飞轮扰振的频率特征，通过数值仿真及实际扰振测试验证了模型的正确性；
4、在对磁悬浮飞轮悬浮控制稳定性分析的基础上，分别研究了针对同频扰振分量以及谐波扰振分量的宽频主动振动控制算法，通过数学仿真的方法证明主动振动控制算法在一定范围内不影响闭环悬浮控制稳定性。同时施加同频和多谐波倍频主动振动控制算法可以有效地降低磁悬浮飞轮相应频率扰振力；
5、结合工程实际，采用平台等效模拟方法研究了机械飞轮隔振和磁悬浮飞轮主动振动控制跨平台应用的有效性。研究表明，机械飞轮—隔振器系统对于不同平台具有较好适应性，均可实现理想的扰振抑制效果；磁悬浮飞轮系统对于平台刚度相对敏感，针对不同平台需要相应调整闭环控制参数以同时兼顾悬浮稳定性及振动抑制效果。