热诱发振动是大型柔性航天器的一种典型失效模式. 最近的一项实验工作不但验证了已有的理论预测, 而且发现了以往简单结构实验中所观测不到的响应模式, 从而使相关理论更加一般化.

此项名为“Experimental investigation of the thermally induced vibration of a space boom section”的研究论文发表于《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》2015年第4期上, 由北京卫星环境工程研究所和清华大学航天航空学院共同完成.

航天器在进出地球阴影时, 空间热流的突然改变会对结构产生热冲击作用. 此时, 航天器上的太阳能帆板、天线等柔性附件有可能发生热诱发振动, 甚至是热颤振现象. 自上世纪六十年代起, 由于热诱发振动而导致的航天器失效事件频频发生. 其中最有名的是1990年在哈勃太空望远镜的太阳能帆板上发生的持续扭转热诱发振动, 该振动导致望远镜成像模糊, 最终甚至使该太阳能帆板发生扭转破坏. 美国Boley教授早在1956年就从理论上预测了热诱发振动现象, 并提出一个Boley参数来衡量振动的大小. 从1998年开始, 清华大学研究组在薛明德教授的带领下也对此现象开展了系统的研究, 发展了一系列的方法和软件. 但是, 由于在地面上模拟太空中的热流突变环境十分困难, 这些理论工作还需要得到更加可靠的实验验证.

图1  实验平台

北京卫星环境工程研究所和清华大学航天航空学院的研究人员, 在KM7大型空间环境模拟器中精心设计了一套地面实验装置, 开展了中国首次空间结构热诱发振动实验. 该实验也是国际上首次公开报道的复杂工程结构的热诱发振动实验. 实验观测结果不但验证了热诱发振动理论的正确性, 还发现复杂工程结构的热诱发振动模式可能不是第一阶弯曲振动模式, 此时就不能用简单的Boley参数来表征热诱发振动的剧烈程度.

图2  实验试件的振动模态：(a) 纯弯曲振动（0.026 Hz）；(b) 纯扭转振动（0.113 Hz）；(c) 弯扭耦合振动（0.705 Hz）.

该研究加深了人们对热诱发振动现象的理解. 其研究结果有望为大型柔性航天结构的设计提供指导.

来源论文：

SU Xinming, ZHANG Junhui, WANG Jing, BI Yanqiang, QIE Dianfu, XIANG Zhihai & XUE Mingde. Experimental investigation of the thermally induced vibration of a space boom section. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2015, 58(4): 044601.

论文链接：http://phys.scichina.com:8083/sciGe/EN/abstract/abstract509648.shtml