АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО АМОРТИЗАЦИИ ВИБРАЦИЙ, ИСПЫТЫВАЕМЫХ ХРУПКИМ ЭЛЕМЕНТОМ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБОРУДОВАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПИТАНИЕМ
MOVING EQUIPMENT FRAGILE ELEMENT ACTIVE VIBRATION DAMPER WITH AUTOMATIC POWER SUPPLY

Изобретение касается устройств, предназначенных для амортизации вибраций, которым подвергаются хрупкие элементы внутри оборудования, вибрирующие в процессе транспортировки перед своим использованием, например спутник в процессе запуска.
Под «хрупким элементом» подразумевается любой физический элемент, функционирование которого может быть нарушено кратковременно или окончательно вибрациями, вызванными во время перемещения оборудования перед его использованием. Речь может идти, например, о зеркале инструмента для космических наблюдений, корпусе измерителя физической(их) величин(ы), корпусе блока управления, оптическом оборудовании, плазменном сопле, кинетическом колесе, процессионном гироскопе или гироскопе.
В некоторых областях, таких, например, как космическая область, оборудование подвергается, по меньшей мере, мимоходно, более или менее значительным перемещениям и/или ускорениям, которые подвергают вибрациям его конструкцию и, следовательно, некоторые элементы, которые в нем находятся (или с ним соединены). Это особенно касается спутников, которые размещаются на орбите с помощью ракет-носителей или некоторого оборудования, которое размещено в челночном космическом аппарате.
Когда такое оборудование содержит хрупкий элемент, последний должен быть «рассчитан» (или приспособлен) и/или соединен с устройством амортизации для того, чтобы выдержать факторы нагрузки, возникающие в процессе запуска.
Это вызывает увеличение массы и/или габаритных размеров, сложности и стоимости важных исследований, а также возможное ухудшение разрешения в случае, когда элементы некоторых запускаемых механизмов имеют высокую чувствительность.
Впрочем, когда используется устройство амортизации пассивного типа, его эффективность ограничена, а когда используется устройство амортизации активного типа, оно требует включения электропитания перед началом выполнения задачи, что обычно не принято, особенно в космической области.
Никакое известное устройство амортизации не решает поставленной задачи, и изобретение, таким образом, имеет целью улучшить эту ситуацию.
Для достижения этой цели изобретение предлагает устройство амортизации вибраций, предназначенное для перемещения оборудования, и содержит конструкцию, в которой соединены, по меньшей мере, первый элемент (не хрупкий) и второй элемент, который должен быть защищен от вибраций вследствие его хрупкости.
Это устройство амортизации вибраций отличается тем, что оно содержит
- первые средства пьезоэлектрического преобразования, включенные между конструкцией и первым элементом (и соединенные с ними) и введенные для преобразования механической энергии вибрации конструкции в электрическую энергию,
- по меньшей мере, один датчик, соединенный с конструкцией и введенный для выдачи измерительных сигналов о вибрациях, испытываемых оборудованием,
- средства контроля, электрически питаемые электрической энергией (выдаваемой первыми средствами преобразования) и введенные для получения из каждого сигнала измерения (выдаваемого датчиком), по меньшей мере, одной амплитуды перемещения, предназначенной для компенсации, по меньшей мере, частично, вибраций, испытываемых конструкцией, и выдачи сигналов управления, характерных для каждой определенной таким образом амплитуды, и
- вторые средства пьезоэлектрического преобразования, включенные между конструкцией и вторым элементом (и соединенные с ними) и введенные для преобразования управляющих сигналов в перемещение(я) для амортизации, по меньшей мере, частично, для второго элемента вибраций, испытываемых оборудованием.
Таким образом, устройство амортизации является устройством активного типа и автономным в плане его электропитания, так как оно его само вырабатывает.
Устройство согласно изобретению может иметь другие характеристики, которые могут быть взяты по отдельности или в совокупности, а именно:
- по меньшей мере, два датчика введены для выдачи измерительных сигналов характерных для вибраций, испытываемых конструкцией в различных направлениях, и вторые средства преобразования, содержащие, по меньшей мере, два преобразователя, введены для перемещения второго элемента в различных направлениях;
- каждый датчик может быть введен для осуществления измерений акселерометрического типа;
- его первые средства преобразования могут быть выполнены из пьезоэлектрического материала, выбранного из пьезоэлектрических монокристаллов и пьезоэлектрических керамик;
- его вторые средства преобразования и/или каждый датчик могут быть выполнены из пьезоэлектрического материала, выбранного из пьезоэлектрических монокристаллов и пьезоэлектрических керамик;
его вторые средства преобразования и/или каждый датчик могут быть образованы, по меньшей мере, пакетом или, по меньшей мере, одним слоем пьезоэлектрического материала.
Каждый преобразователь (вторые средства преобразования) и соответствующий датчик могут, в случае необходимости, образовывать вместе две взаимодополняющие части одного и того же пакета слоев упомянутого пьезоэлектрического материала.
- когда оборудование (или второй элемент) содержит средства, предназначенные для механической амортизации второго элемента, и известные амортизационные свойства, средства контроля могут быть введены для получения каждой амплитуды перемещения из каждого сигнала измерения с учетом амортизационных свойств;
- его средства контроля могут быть установлены с возможностью активации и дезактивации в необходимые моменты.
Изобретение предлагает также оборудование, снабженное устройством амортизации вибраций типа, представленного выше.
Изобретение в особенности предназначено для использования не ограничивающим образом в космической области и в области транспорта, в особенности железнодорожного.
Другие характеристики и преимущества изобретения поясняются при рассмотрении подробного описания далее со ссылками на чертежи, на которых
- фиг.1 изображает весьма схематично и функционально оборудование, содержащее первый и второй элементы, и пример осуществления устройства амортизации второго элемента согласно изобретению,
- фиг.2 представляет диаграмму, изображающую пример временной кривой развертки сигнала измерения (t), соответствующего выбранному направлению, и пример временной кривой развертки сигнала управления, характерного для амплитуды перемещения, прикладываемой ко второму элементу по выбранному направлению с учетом временной кривой развертки сигнала вибрации.
Приложенные чертежи служат не только для дополнения изобретения, но и способствуют его более полному определению в случае необходимости.
Целью изобретения является осуществление возможности, по меньшей мере, частичной амортизации вибраций для хрупкого элемента, испытываемых оборудованием при его перемещении.
Ниже в качестве неограничивающего примера рассматривается оборудование, являющееся инструментом наблюдения, соединенным, по меньшей мере, частично, с, по меньшей мере, одним спутником перед размещением на орбите с помощью ракеты-носителя для выполнения задачи космического наблюдения Земли или части Вселенной из космоса.
Но изобретение не ограничивается этим типом оборудования. Оно касается, в действительности, любого типа оборудования, космического или нет, испытывающего вибрации при перемещении и содержащего конструкцию, с которой соединены (или сочленены), по меньшей мере, первый известный не хрупкий элемент и второй хрупкий элемент, который должен быть защищен от этих вибраций. Таким образом, речь может идти, например, о спутнике, или транспортном наземном средстве, таком, например, как автомобиль или грузовик, или также о самолете.
Как показано на фиг.1, инструмент (или оборудование) 1 содержит конструкцию S1, S2, содержащую первую часть S1, с которой соединен (или сочленен) первый известный не хрупкий элемент Е1, как, например, электронный блок, и вторую часть S2, с которой соединен второй хрупкий элемент Е2, как, например, зеркало, кинетические колеса и другие измерительные инструменты или «оптическое оборудование».
Изобретение предлагает устройство, предназначенное для амортизации вибраций второго элемента Е2, испытываемых конструкцией S1, S2 оборудования 1 (и, следовательно, последним). Это устройство содержит, по меньшей мере, первые средства пьезоэлектрического преобразования T1i, по меньшей мере, один датчик Cj, модуль контроля МС и вторые средства пьезоэлектрического преобразования Т2k.
Первые средства пьезоэлектрического преобразования T1i включены между первой частью S1 конструкции и первым элементом Е1, будучи жестко соединенными. Они введены для преобразования механической энергии вибрации конструкции в электрическую энергию.
Первые средства преобразования T1i выполнены, например, из пьезоэлектрического материала, такого как пьезоэлектрические монокристаллы. Они могли быть также выполнены из пьезоэлектрических керамик. В общем, любой тип пьезоэлектрического материала может быть использован, если он позволяет преобразовывать достаточно значительную энергию для электрического питания управляющего модуля МС и обеспечивать его функционирование.
Например, как показано на фиг.1, первые средства преобразования Т1i выполнены в форме четырех идентичных контактов малой высоты Т11-Т14 (i = 1-4). На фиг.1 видны только Т11-Т13 вследствие вида в аксонометрии. Их количество не ограничивается четырьмя. Может быть представлено любое значение, большее или равное единице (1). Впрочем, каждый контакт Т1i может быть также образован пакетом слоев пьезоэлектрического материала для уменьшения напряжения (высокие напряжения могут быть причиной проблем, таких как пробой).
Благодаря использованию пьезоэлектрического материала первые средства преобразования T1i образуют первый электромеханический компактный и легкий интерфейс, образующий генератор электрического тока, не влияющий на вес оборудования 1. Электрическая энергия, являющаяся результатом преобразования механической энергии вибрации, представляет собой здесь в качестве примера микроток под (достаточно) высоким электрическим напряжением.
Ток, производимый первыми средствами преобразования T1i, поступает в электрический проводник (например, кабель) Х1, который соединен с модулем контроля МС.
Каждый датчик Cj соединен (сочленен) со второй частью S2 конструкции и введен для выдачи сигналов измерения, которые показывают вибрации, испытываемые упомянутой конструкцией в выбранном направлении dj. Число датчиков Cj, по меньшей мере, равно единице (1). Но, предпочтительно, чтобы число датчиков Cj было равно, по меньшей мере, двум (j=1-2) и преимущественно равно трем (j=1-3), как изображено на фиг.1. При наличии трех датчиков С1-С3 можно также измерить вибрации, испытываемые второй частью S2 конструкции в трех различных направлениях d1-d3, перпендикулярных между собой.
Предпочтительно каждый датчик Cj введен для осуществления измерений акселерометрического типа в направлении dj для выдачи сигналов, характерных для его акселерометрических измерений. Но можно использовать другие типы датчиков, как, например, датчики, предназначенные для измерения сил на уровне интерфейсов (в этом случае компенсирующее воздействие направлено противоположно измеряемым усилиям).
Каждый датчик Сj выполнен, например, из пьезоэлектрического материала, такого как пьезоэлектрические кристаллы. Они могут также быть выполнены из пьезоэлектрических керамик. В общем, любой тип пьезоэлектрического материала может быть использован, если он позволяет генерировать измерительный сигнал в форме достаточно большого тока для анализа управляющим модулем МС.
Например, как показано на фиг.1, каждый датчик Cj выполнен в форме первой части контакта Рk малой высоты, к которой вернемся позднее, и вторая дополнительная часть которого образована преобразователем (или приводом) T2k вторых средств преобразования. Но каждый датчик Сj может быть размещен рядом с преобразователем T2k, с которому он относится. Каждый контакт, образующий датчик Cj, может быть образован пакетом (или частью пакета), по меньшей мере, одного слоя пьезоэлектрического материала, например от двух до пяти слоев. Действительно, предусматривается два случая. Если датчики Сj являются акселерометрами, размещенными на элементе Е2 для измерения его ускорений, и когда приводы размещены под элементом Е2, достаточен один слой. Если пьезоэлектрические приводы (преобразователи) T2k выполняют также функцию датчика, можно предусмотреть многослойные пакеты. Действительно, если пьезоэлектрические приводы (преобразователи) T2k образованы одним пакетом слоев, разделенных электродами (для уменьшения управляющего напряжения), несколько слоев (обычно от двух до пяти) можно не использовать в качестве приводов, а только в качестве датчиков Cj, которые генерируют электрическое напряжение под действием силы.
Измерительные сигналы (ток), производимые датчиками Cj, собираются электрическим проводником (например, кабелем) Х2, который соединен с модулем контроля МС.
Как сказано выше, электрический ток, необходимый модулю контроля МС для анализа измерительных сигналов датчика(ов), является результатом преобразования энергии вибрации первой части S1 конструкции в ток, осуществляемого первыми средствами преобразования T1i.
Этот модуль контроля МС введен для получения из каждого измерительного сигнала, поступающего через электрический проводник Х2, по меньшей мере, одной амплитуды перемещения, предназначенной для компенсации, по меньшей мере, частичной, вибраций для второго элемента Е2, испытываемых конструкцией (на уровне ее второй части S2). При наличии нескольких датчиков Cj, например трех, модуль контроля МС получает три измерительных сигнала, характерных соответственно для вибраций в трех направлениях d1-d3. Таким образом, можно получить три амплитуды перемещения, которые должен испытывать второй элемент Е2, в соответствии с тремя упомянутыми направлениями d1-d3 для практически полной или частичной амортизации упомянутых вибраций.
Модуль контроля МС преобразует каждую получаемую им амплитуду перемещения в управляющий сигнал (ток), предназначенный для вторых средств преобразования (или приводов) T2k.
На фиг.2 представлена диаграмма, которая иллюстрирует, с одной стороны, пример кривой А1 временной развертки (t) измерительного сигнала, выдаваемого датчиком Cj, например С1, характерного для вибраций в направлении dj, например d1, и, с другой стороны, пример кривой А2 временной развертки управляющего сигнала, выдаваемого модулем контроля МС и характерного для амплитуды перемещения, прикладываемой ко второму элементу Е2 (здесь в направлении d1) с учетом кривой А1.
Для того чтобы управлять пьезоэлектрическими приводами (преобразователями) T2k, можно использовать любую технику, известную специалисту в данной области, например, описанную в патентах ЕР 0676558 и ЕР 1132647.
Важно отметить, что оборудование 1 или второй элемент Е2 могут быть снабжены дополнительными средствами (не представленными), предназначенными для механической амортизации упомянутого второго элемента Е2, и с известными амортизационными свойствами. Такие средства амортизации могут быть выполнены, например, в виде эластичных пластин, соединенных со второй частью S2 конструкции и вторым оборудованием Е2 в выбранных местах. В этом случае модуль МС управления установлен для получения каждой амплитуды перемещения с каждого измерительного сигнала с учетом амортизационных способностей дополнительных средств амортизации, для того чтобы общее перемещение второго элемента Е2 эффективно компенсировало (по меньшей мере, частично) общее перемещение, вызванное вибрациями.
Управляющие сигналы (ток), производимые модулем управления МС, собираются электрическим проводником (например, кабелем) Х3, который связан со вторыми средствами преобразования Т2k.
Эти вторые средства преобразования T2k включены между второй частью S2 конструкции и вторым элементом Е2 и соединены с ними. Они введены для преобразования токов (сигналов управления), выдаваемых модулем управления МС в перемещение(я), для амортизации, по меньшей мере, частично, вибраций для второго элемента Е2, испытываемых его оборудованием 1 (точнее, второй частью S2 конструкции).
Эти вторые средства преобразования T2k выполнены, например, из пьезоэлектрического материала, такого как пьезоэлектрические монокристаллы. Они могли бы быть также выполнены из пьезоэлектрических керамик. В общем, любой тип пьезоэлектрического материала может быть использован в том случае, если он позволяет обеспечивать достаточно значительные перемещения для компенсации эффекта вибраций в заданном направлении dj.
Пьезоэлектрические монокристаллы особенно интересны, так как они обладают хорошей способностью к удлинению, обычно 2% (что примерно в десять раз больше, чем удлинение, обеспечиваемое пьезоэлектрическими керамиками). Это позволяет изготавливать активные интерфейсы весьма компактными.
Например, как показано на фиг.1, вторые средства преобразования T2k представлены в форме трех частей Т21-Т23 (k=1-3) идентичных контактов Рk малой высоты. Точнее, в показанном примере три контакта Р1-Р3 включены между второй частью S2 конструкции и вторым элементом Е2, при этом каждый контакт Рk образован первой частью, определяющей датчик Pj (при j=k), и второй дополнительной частью, определяющей преобразователь T2k. Эти контакты Pk могут, например, иметь цилиндрическую форму круглого сечения (как показано).
Действительно, каждому датчику Cj предпочтительно соответствует один преобразователь (привод) T2k (k=j). Но не обязательно, чтобы датчик Cj являлся частью одного и того же контакта Рk, что и соединенный с ним преобразователь T2k. Они могут быть расположены рядом. В этом случае каждый преобразователь T2k образует контакт Pk , соединенный со второй частью S2 конструкции и со вторым элементом Е2, в то время как каждый датчик Pj соединен только со второй частью S2 конструкции.
Контакты Pk могут быть, например, выполнены в форме цилиндра круглого сечения (как показано).
Впрочем, каждый преобразователь T2k может быть равным образом образован пакетом из, по меньшей мере, одного слоя пьезоэлектрического материала. В этом случае число слоев принципиально зависит от амплитуды корректируемых вибраций и возможного управляющего напряжения.
Когда датчик Cj и преобразователь T2k образуют две взаимодополняющие части одного и того же контакта Pk, то они образуют единый пакет.
Важно отметить, что устройство амортизации может содержать только один датчик Cj и один относящийся к нему преобразователь T2k, либо два датчика Cj и два относящихся к ним преобразователя T2k, но не три датчика Cj и относящихся к ним три преобразователя T2k, как показано на фиг.1.
Благодаря использованию пьезоэлектрического материала вторые средства преобразования T2k образуют второй легкий и компактный электромеханический интерфейс, который образует генератор микроперемещения(й) k-направлений без влияния на вес оборудования 1.
Важно отметить, что модуль контроля МС может быть одинаково активирован и дезактивирован в нужные моменты. Точнее говоря, устройство амортизации колебаний согласно изобретению предназначено для работы, когда оборудование 1 подвергается (значительным) вибрациям, при этом предпочтительно, чтобы его модуль управления МС мог быть активирован несколько раньше возникновения вибраций и дезактивирован, когда вибрации заканчиваются. Например, в случае запуска с помощью ракетоносителя модуль управления МС может быть включен в работу между моментом, когда оборудование уже размещено в ракете, и моментом, когда оборудование 1 выходит на орбиту в предусмотренном месте для выполнения своей миссии, (либо непосредственно перед тем, как второй элемент Е2 начинает развертываться, если это предусмотрено).
Предпочтительно устройство является автономным и не требует внешней активации. Оно активируется автоматически, как только уровень вибрации начинает генерировать энергию (например, напряжение) достаточного электрического питания, что соответствует нагрузкам, меньшим, чем те, которые чувствительное оборудование может выдержать без компенсации.
Изобретение не ограничивается вариантами осуществления устройства амортизации вибрации и оборудования, описанными выше только в качестве примера, но оно охватывает все варианты, которые может себе представить специалист в рамках, нижеприведенных притязаний.
Таким образом, изобретение используется в ситуациях, в которых имеют место одно, два или три перемещения и/или одно, два или три вращения, а также для контроля микровибраций.