CN101286281A

CN101286281A - 刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统

Info

Publication number: CN101286281A
Application number: CNA2008101145017A
Authority: CN
Inventors: 袁长清; 李俊峰; 王天舒; 徐剑波
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2028-06-03
Also published as: CN101286281B

Abstract

刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统，属于航天控制技术领域。该仿真实验系统由磁浮台子系统、挠性附件子系统、快速机动天线子系统、液体燃料箱子系统和大型柔性天线子系统组成。应用连通器原理设计了液体燃料箱系统子系统，保证四个燃料箱液面同步下降，各燃料箱液体流量相同不会引起偏心，确保磁浮台正常工作。采用齿轮传动系统同步驱动一对反对称安装的快速机动天线，使得天线的运动不会引起公共质心变化，避免对磁浮台造成不良影响。通过选择不同控制、测量、激振组合，该实验系统可以用于研究刚弹液耦合系统的动力学特性、中心体姿态机动及多目标姿态跟踪控制等多类问题。

Description

刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统

技术领域

本发明属于航天控制技术范围，特别涉及一种刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统。

背景技术

航天器物理仿真实验是指以气浮或磁浮台模拟卫星本体，控制器使用星上实际控制系统所进行的仿真实验。它是卫星研制过程中采用的重要手段和方法，可以验证控制系统方案设计的正确性和检验实际控制系统的指标性能。在国内外航天器物理仿真实验中，对于单轴气浮台(或单轴磁浮台)，以单刚体加柔性部件的配置较为常见。对于三轴气浮台，则以单刚体为主要配置，也有些实验系统在三轴气浮台上配置小惯量转动附件。综合考虑刚弹液耦合因素的多体航天器物理仿真系统并不多见。

发明内容

本发明的目的是提供一种刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统，即提供一种综合考虑刚弹液耦合因素的多体航天器物理仿真系统；从动力学角度，研究刚弹液耦合多体系统的动力学特性，验证复杂航天器的建模方法，为数值仿真提供参考和依据；从控制角度，考虑存在附件弹性和液体晃动及燃料消耗的情况，研究中心体的姿态机动与跟踪控制问题；研究具有多个转动附件航天器的多目标跟踪控制问题。

本发明的技术方案如下：

一种刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统，含有单轴磁浮台子系统1和挠性附件子系统2，单轴磁浮台子系统1含有台上计算机60，台下计算机61，磁浮台底盘28和磁浮台上盘59，其特征在于：该系统还含有液体燃料箱子系统4，所述的液体燃料箱子系统包括四个液体燃料箱22，收集罐19，激光测距传感器69和激振器70，四个液体燃料箱21对称安装并固连在磁浮台上盘59上，收集罐19固连于磁浮台底盘28)上，且收集罐19的轴线与磁浮台底盘28转轴重合，收集罐分为上腔和下腔，上腔和下腔由电控阀门24)连通，下腔通过导气管23与大气连通，上腔通过运输管21与液体燃料箱22连通；液体燃料箱子系统4中燃料液面变化通过激光测距传感器69测量，测量信号传输到台上计算机60；通过台上计算机60控制第二激振器70和电控阀门24；

本发明的技术特征还在于：该系统还包括快速机动天线子系统3，该子系统水平安装于磁浮台的上盘59上，它由步进电机12、传动系统16、两个机动天线18和减速器13组成；所述的传动系统16由主动齿轮、传动齿轮和从动齿轮构成，两个机动天线分别与主动齿轮和从动齿轮连接；快速机动天线子系统3中机动天线18的姿态通过第二旋转变压器68测量，测量信号传输到台上计算机60；通过台上计算机60控制第二步进电机12。

本发明的又一技术特征是：所述的刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统还包括大型柔性天线子系统5，该子系统包括大型天线30、柔性支撑臂29和小型气浮台32，大型天线30通过柔性支撑臂29与磁浮台底盘28固连；所述的大型天线包括天线轴47、用于调整天线轴垂直度的调整装置，旋转变压器44、减速器37和天线砝码51；旋转变压器44和减速器分别通过联轴器与天线轴47相连接，天线砝码51通过天线臂49与天线轴相连；天线轴47通过轴承座41与调整装置相连，调整装置由支撑连接板36，调整连接板35和调整连接管53组成；调整连接管53通过摩擦片58与柔性支撑臂29相连；天线砝码51通过第一气垫31置于小型气浮台32上。旋转变压器44通过第二气垫置于小型气浮台32上；大型柔性天线了系统5中的大型天线的姿态通过第一旋转变压器44测量，柔性支撑臂29)的振动通过第二线性加速度计71测量，测量信号分别传输到台上计算机60；通过台上计算机60控制第三激振器72和第三步进电机。

本发明与现有技术相比，具有以下优点即突出性效果：本发明所示提供的刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统由磁浮台子系统、挠性附件子系统、快速机动天线子系统、液体燃料箱子系统和大型柔性天线子系统组成。由于考虑了诸多工程实际因素，本发明能够提供一个较为贴近实际的刚弹液耦合多体航天器系统。通过该系统验证的控制方案和相关实验结果具有较高工程参考价值。该物理仿真实验系统主要用于研究刚弹液耦合多体航天器在轨运行的动力学行为及相关姿态控制问题。

附图说明

图1是刚弹液耦合多体航天器物理仿真系统示意图。

图2是挠性附件系统结构示意图。

图3是快速机动天线系统结构示意图。

图4是液体燃料箱系统结构示意图。

图5是液体收集罐的剖视图。

图6是液体燃料箱系统传感器和激振器分布示意图。

图7是大型柔性天线系统结构示意图。

图8是图7中A向示意图。

图9是图7中B向示意图。

图10是图9中C部分的局部剖视图。

图11是刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统的测量与控制示意图。

图中：1-单轴磁浮台子系统；2-挠性附件子系统；3-快速机动天线子系统；4-液体燃料箱子系统；5-大型柔性天线子系统；6-螺母；7-第一步进电机及传动装置；8-支承架；9夹紧装置；10-挠性板；11-滚珠丝杆；12-第二步进电机；13-减速器；14-减速器底座；15-第一砝码；16-齿轮传动系统；17-配重；18-机动天线；19-收集罐；20-隔板；21-运输管；22-燃料箱；23-导气管；24-电控阀门；25-引导管；26-下腔；27-上腔；28-磁浮台底盘；29-柔性支撑臂；30-大型天线；31-第一气垫；32-小型气浮台；33-第二气垫；34-加固环；35-调整连接板；36-支承连接板；37-减速器；38-减速器支架；39-上联轴器；40-轴承座盖；41轴承座；42传感器支架；43传感器座；44第一旋转变压器；45-下联轴器；46传感器压盖；47天线轴；48定位螺栓；49天线臂；50-砝码座；51-第二砝码；53-调整连接管；54-第一紧固螺栓；55-第二紧固螺栓；57-第三紧固螺栓；58-摩擦片58；60-台上计算机；61-台下计算机；62-感应同步器；63-速度积分螺陀；64-动量轮；65-喷气发动机；66-第一线性加速度计；67-第一激振器；68-第二旋转变压器；69-激光测距传感器；70-第二激振器；71-第二线性加速度计；72-第三激振器；73-第三步进电机。

具体实施方式

如图1所示，刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统由单轴磁浮台子系统1、挠性附件子系统2、快速机动天线子系统3、液体燃料箱子系统4和大型柔性天线子系统5组成。在物理实验方案设计中，单轴磁浮台子系统1、挠性附件子系统2采用了目前的成熟技术方案，快速机动天线子系统3和液体燃料箱子系统4是本发明的创新性设计。

单轴磁浮台子系统1用于模拟太空无重力环境。单轴磁浮台子系统主要由磁浮台底盘28、动量轮64、喷气发动机65、感应同步器62、速度积分陀螺63、主从计算机系统60和61组成。单轴磁浮台1的磁浮台底盘28上安装有台上计算机60，可与台下计算机61进行无线通信，如图1和图11所示。磁浮台底盘28用以模拟航天器中心刚体。可以利用磁浮台几乎无摩擦的特点，模拟航天器在轨运动情况。同时，在磁浮台底盘28上安装有航天器正常工作所需的相关设备(如动量轮64、喷气发动机65、感应同步器62、速度积分陀螺63、电源、数据采集系统、台上计算机60等)。中心刚体(磁浮台底盘28)的执行机构采用“动量轮64-喷气发动机65”组合方式。其中，动量轮64可以输出正反向连续变化的控制力矩，应用喷气发动机65可以对动量轮64进行卸载。采用感应同步器62和速度积分陀螺63测量中心刚体的转角和转速。为了尽量模拟卫星真实情况，加入地球敏感器数学模型，模拟地球敏感器信息，参与中心体姿态的计算。

挠性附件子系统2由挠性板10、支承架8、第一步进电机及传动装置7、夹紧装置9和第一线性加速度计66及第一激振器67五部分组成，如图2和图11所示。两块挠性板10对称安装在磁浮台底盘28两侧，挠性板10振动方向与重力方向垂直，可以模拟挠性板在失重条件下的振动状态。为了模拟航天器的挠性结构在太空中展开和收缩运动，挠性板10的安装点距中心转轴的距离是可变的。将线性加速度计66配置在挠性板上，用于测量指定点的振动加速度变化情况，进而积分后可得挠性板在该点的振动线位移和线速度。挠性板可伸缩部分采用如下成熟方案，其工作原理为：柔性附件的振动通过安置在其上的四个第一线性加速度计66进行检测，经A/D转换后，输入台上计算机60。台上计算机60发出指令控制第一步进电机7，再经过减速器减速及滚珠丝杆11和螺母6驱动挠性板10沿直线移动。当挠性板10达到期望位置后，通过夹紧装置9夹紧。在螺母6和夹紧装置9之间的挠性板由于受到螺母和夹紧装置的约束，对中心体姿态影响很小，可以怱略不计。在夹紧装置9之外挠性板可视为悬臂梁，是影响中心体姿态运动的主要因素，改变该部分挠性板的长度，可以改变系统总转动惯量、刚柔耦合系数和帆板振动频率。在实验中，可以通过台上计算机60控制挠性板的伸缩运动，从而实现系统参数时变的目的。

快速机动天线子系统3为本发明的创新性设计，其水平安装于磁浮台上盘59上，主要模拟航天器的快速机动附件，如图1所示。机动天线18转动平面与重力方向垂直，可以模拟天线在失重条件下的运动状态。快速机动天线系统3由机动天线18、齿轮传动系统16、第二步进电机12及减速器13组成，如图3所示。采用第二旋转变压器68测量快速机动天线的转角，如图11所示。工作原理为：台上计算机60可以控制第二步进电机12的转动，经过减速器13减速，通过齿轮传动系统16同步驱动一对反对称安装的机动天线18同步转动。增加或减少两个机动天线18上的第一砝码15可以改变机动天线18的质量特性。当磁浮台上的设备相对磁浮台转轴存在偏心时，由于重力作用会使磁浮轴承产生较大倾覆力矩。这会使磁浮台产生较大附加摩擦力矩，从而失去模拟太空无重力环境的能力。因此，单轴磁浮台要求所有台上设备的公共质心必须经过磁浮台的轴心。由于本子系统采用齿轮传动系统16同步驱动机动天线18，使得机动天线18的运动不会引起公共质心变化，避免磁浮台失效。

液体燃料箱子系统4为本发明的创新性设计。该子系统主要由运输管21、燃料箱22、收集罐19、电控阀门24、激光测距传感器69组成，如图4、图6和图11所示。图4是液体燃料箱系统结构示意图该液体燃料箱子系统包括四个液体燃料箱22，收集罐19，激光测距传感器69和激振器70，四个液体燃料箱22对称安装并固连在磁浮台上盘59上，收集罐19固连于磁浮台底盘28上，且收集罐19的轴线与磁浮台底盘28转轴重合，收集罐分为上腔和下腔，上腔和下腔由电控阀门24连通，下腔通过导气管23与大气连通，上腔通过运输管21与液体燃料箱22连通；液体燃料箱子系统4中燃料液面变化通过激光测距传感器69测量，测量信号传输到台上计算机60；通过台上计算机60控制第二激振器70和电控阀门24。

四个燃料箱22与大气相通，通过运输管21与收集罐19的上腔27相联。收集罐19的上腔27是密闭的，且内部充满燃料，如图5所示。四个液体燃料箱22相对磁浮台转轴对称安装并固连在磁浮台上，收集罐19固连于磁浮台上盘59上，且收集罐19的轴线与磁浮台转轴重合，如图1所示。传感器配置如图6所示，四个燃料箱22上方装有激光传感器69，可以测量燃料液面高度变化，用来研究大角度机动时燃料的晃动情况。液体燃料箱子系统4的主要功能为模拟航天器燃料消耗过程，即燃料箱22液体流入收集罐19，液体燃料相对磁浮台转轴转动惯量变小。同时液体燃料箱子系统4工作原理具体为：通过台上计算机60控制电控阀门24开合。当电控制阀门24打开时，根据连通器原理，在大气和重力作用下燃料经过电控阀门24经引导管25流入下腔26。四个导气管25用于排除下腔内26的空气，以使燃料顺利流入。液体燃料箱子系统4的设计方案能保证四个燃料箱22液面同步下降，各燃料箱22液体流量相同不会引起偏心，从而不会对磁浮台产生不良影响。液体燃料箱子系统4设计有以下两点需要注意：燃料箱22和运输管21的加工精度及安装位置度必须达到较高精度要求；在模拟燃料消耗时，受到激光传感器69量程的限制，燃料箱22液面变化不能过大，否则传感器69将失效。因此，燃料箱的直径应尽量大些。

在大型柔性天线子系统5设计中的机械设计部分为创新性设计。如图5和图11所示，大型柔性天线子系统5主要由柔性支撑臂29、大型天线30、第一气垫31、小型气浮台32、第二气垫33和第三激振器72组成。主要功能是研究大型机动天线、柔性天线支撑臂和磁浮台大盘(中心刚体)的动力学耦合问题；研究天线高精度跟踪指向控制问题。柔性支撑臂的一端固连在磁浮台底盘28上，另一端安装有大型机动天线。这种相对磁浮台中心轴的非对称安装，会对磁浮台性能造成极大影响，这里采用小型气浮台32卸载天线重力方案，即在大型机动天线下部安装两个卸载气垫31和33，确保磁浮台配平并绕铅垂轴正常转动，小型气浮台32用花岗石平台作为水平基准平面。为了研究挠性支撑臂29对大型天线30跟踪的影响，考虑卫星使用固面天线的情况，天线反射面固有频率较高。因此，只要注意天线支撑臂29和天线30组合结构挠性的基频模拟就够了。

大型机动天线30的具体结构如图6所示，由加固环34、调整连接板35、支承连接板36、减速器37、减速器支架38、联轴器39、轴承座盖40、轴承座41、传感器支架42、传感器座43、双通道旋转变压器44、联轴器45、传感器压盖46、天线轴47、定位螺栓48、天线臂49、砝码座50、天线砝码51、步进电机74、调整连接管53、紧固螺栓54、55和57、摩擦片58组成。使大型机动天线30通过柔性天线支撑臂29与磁浮台底盘28固连。支撑连接板36与调整连接板35通过第一紧固螺栓54和定位螺栓48相连接，其中定位螺栓48为铰制孔螺栓。调整连接板35通过第三紧固螺栓57与调整连接管53固连。调整连接板35通过摩擦片58与柔性支撑臂29相连，通过第一紧固螺栓54可以使调整连接板35与柔性支撑臂29固连。第二砝码51可以绕天线轴47做定轴转动，转动平面与重力方向垂直，可以模拟天线在失重条件下的运动状态。通过增减第二砝码51可以改变天线的质量特性。在仿真实验中，要求柔性支撑臂29带负载时的频率与实际的频率尽量相同。可以通过选用不同直径的钢管，经安装调试使其与空间的基频大致相同，以使实验结果更具工程参考价值。

由于大型机动天线30要求天线轴与地面垂直，在大型天线安装中需进行调整。在第二紧固螺栓55松开的情况下，使调整连接板35转动绕定位螺栓48(即o₂y₂轴)转动，可以调节天线轴47沿y轴方向的自由度；在第一紧固螺栓54松开的情况下，调整连接板35通过调整连接管53相对柔性天线支撑臂29转动(即绕o₁x₁轴)，可以调节天线轴47沿x轴方向的自由度。通过x、y方向的调整可使天线轴47与地面垂直。调整完毕后，锁死紧固螺栓54、55即可。这种调整方式，结构简单，且能满足精度要求。

大型机动天线子子系统5选择第一旋转变压器44做为测量元件，其测出位置信号经16位RDC角度转换器转换成数字量，通过RS232接口传输到台上计算机60，从而构成天线位置检测反馈通道。旋转变压器44与天线同轴相联，可以实时反馈天线实际位置，作为位置反馈和速度反馈的根据，它可对第三步进电机73运行过程中可能产生的驱动脉冲与实际转角不对应(丢步或越步)现象进行纠错，以实现精确速度控制和高精度位置伺服。

如图11所示，为了方便研究耦合系统的动力学特性，实验装置设计安装了丰富的传感器和激振器，通过选择不同的控制、测量、激振组合，可以设计多种仿真方案，研究多种工况。单轴磁浮台子系统1的磁浮台底盘28的转动角度和角速度分别通过感应同步器62和速度积分螺陀测量63，测量信号分别传输到台上计算机60中，通过台上计算机60控制动量轮64和喷气发动机65；挠性附件子系统2中的挠性附件10的振动通过第一线性加速度计测量66，测量信号传输到台上计算机60中，通过台上计算机60控制第一激振器67和第一步进电机7；快速天线子系统3中的机动天线18的转角通过第二旋转变压器68测量，测量信号传输到台上计算机60中，通过台上计算机60控制第二步进电机12；液体燃料箱子系统4的燃料箱22中液体燃料的晃动能过激光测距传感器69测量，测量信号传输到台上计算机60中，通过台上计算机60控制第二激振器70和电控阀门23；大型柔性天线子系统5中的大型天线的转动通过第二旋转变压器44测量，柔性支撑臂29的振动通过第二线性加速度计测量，测量信号都传输到台上计算机60中，通过台上计算机60控制第三激振器72和第三步进电机73。

Claims

1.一种刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统，含有单轴磁浮台子系统(1)和挠性附件子系统(2)，单轴磁浮台子系统(1)含有台上计算机(60)，台下计算机(61)，磁浮台底盘(28)和磁浮台上盘(59)，其特征在于：该系统还含有液体燃料箱子系统(4)，所述的液体燃料箱子系统包括四个液体燃料箱(22)，收集罐(19)，激光测距传感器(69)和激振器(70)，四个液体燃料箱(21)对称安装并固连在磁浮台上盘(59)上，收集罐(19)固连于磁浮台底盘(28)上，且收集罐(19)的轴线与磁浮台底盘(28)转轴重合，收集罐分为上腔和下腔，上腔和下腔由电控阀门(24)连通，下腔通过导气管(23)与大气连通，上腔通过运输管(21)与液体燃料箱(22)连通；液体燃料箱子系统(4)中燃料液面变化通过激光测距传感器(69)测量，测量信号传输到台上计算机(60)；通过台上计算机(60)控制第二激振器(70)和电控阀门(24)；

2.按照权利要求1所述的刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统，其特征在于：该系统还包括快速机动天线子系统(3)，该子系统水平安装于磁浮台的上盘(59)上，它由步进电机(12)、传动系统(16)、两个机动天线(18)和减速器(13)组成；所述的传动系统(16)由主动齿轮、传动齿轮和从动齿轮构成，两个机动天线分别与主动齿轮和从动齿轮连接；快速机动天线子系统(3)中机动天线(18)的姿态通过第二旋转变压器(68)测量，测量信号传输到台上计算机(60)；通过台上计算机(60)控制第二步进电机(12)；

3.按照权利要求1或2所述的刚弹液耦合航天器物理仿真实验系统，其特征在于：该系统还包括大型柔性天线子系统(5)，该子系统包括大型天线(30)、柔性支撑臂(29)和小型气浮台(32)，大型天线(30)通过柔性支撑臂(29)与磁浮台底盘(28)固连；所述的大型天线包括天线轴(47)、用于调整天线轴垂直度的调整装置，旋转变压器(44)、减速器(37)和天线砝码(51)；旋转变压器(44)和减速器分别通过联轴器与天线轴(47)相连接，天线砝码(51)通过天线臂(49)与天线轴相连；天线轴(47)通过轴承座(41)与调整装置相连，调整装置由支撑连接板(36)，调整连接板(35)和调整连接管(53)组成；调整连接管(53)通过摩擦片(58)与柔性支撑臂(29)相连；天线砝码(51)通过第一气垫(31)置于小型气浮台(32)上。旋转变压器(44)通过第二气垫置于小型气浮台(32)上；大型柔性天线了系统(5)中的大型天线的姿态通过第一旋转变压器(44)测量，柔性支撑臂(29)的振动通过第二线性加速度计(71)测量，测量信号分别传输到台上计算机(60)；通过台上计算机(60)控制第三激振器(72)和第三步进电机。