CN102087104B - 航天器质量特性测量用三坐标转换机及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航天器质量特性测量的三坐标转换机，包括弧线型机身、花盆状测试工装、两轴转台、配重块，其中，弧线型机身上方内部设置有两平行的弧型导轨，两轴转台滑动设置在导轨上并分别包括有垂直驱动部件和倾斜驱动部件以调整测试工装的高度和倾斜角度，机身的水平放置端附近设置配重块，花盆状测试工装用于设置待测航天器。此外，本发明还公开了一种使用上述三坐标转换机的用于航天器质量特性测量的集成系统及测量方法。与现有技术相比，采用本发明的集成化测试系统和测量方法可以实现航天器一次安装测量所有质量特性参数，提高工作效率数倍，同时大幅提高航天器测试的安全性与可靠性。采用本发明的集成化测试系统和测量方法，可以比较容易地测量惯性积，在惯性积的测量方法上实现了突破。

Description

航天器质量特性测量用三坐标转换机及测量系统

技术领域

本发明属于航天器质量特性测试领域，具体来说涉及一种航天器质量特性集成化测试部件以及包含该部件的测量系统和测量方法。 

背景技术

质量特性是物体与质量有关的一系列力学特性参数。质量特性包括质量、质心位置、相对于给定坐标系的惯性矩和惯性积，这些参数是描述产品力学特性的基本固有特性参数。在航天器的研制中，需要通过试验来确定这些参数，并根据设计要求对这些参数进行必要的调整。其中，传统的测试技术存在以下问题：测试设备的功能是较为单一，用质心台测量重量和质心，用扭摆台测量转动惯量，用动平衡机测量惯性积。这样不仅投资大，占用厂房面积大，而且为完成航天器不同参数的测试，必须把航天器在各台设备之间反复吊装、定位，需要耗费大量的时间，效率极其低下。例如，完成航天器不同方向的测量需要更换不同形式的工装，横向测量用横向支架安装定位，纵向测量用L型支架或纵向托架安装定位，期间需要多次吊装和翻转。 

具体来说，按照传统测试技术，对三轴稳定航天器进行一次完整的测试工作(不包括惯性积测量)，至少要进行9次航天器吊装对接和4次航天器翻转。这一系列的操作不仅耗费大量的时间和精力，而且存在较大的安全隐患。以往测量航天器惯性积必须用动平衡机旋转测量，但三轴稳定航天器由于采用碳纤维材料制造和箱体板式外型设计，不适合进行旋转运动测量，航天器的惯性积数据无法实测得出。因此，提供一种通过一次测试即可完成所有质量特性的测量装置和测量方法极其必要。 

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种航天器质量特性测量用的三坐标转换机及使用该三坐标转换机的集成化测试系统，该系统将工装的通用化、测试设备 综合化和测试过程自动化合为一体，能够实现航天器一次安装定位并测量出各个方向的所有质量特性参数。 

另一方面，本发明的另一目的是提供一种航天器质量特性的测量方法。该方法能够实现航天器一次安装定位并测量出各个方向的所有质量特性参数，极大了提高了测量精度和测量效率。 

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案： 

一种用于航天器质量特性测量的弧线型三坐标转换机，包括：弧线型机身、滑动两轴转台、控制系统、角度测量系统。控制系统和角度测量系统与三坐标转换机集成一体。弧线型机身上方内部设置有两条平行的弧型导轨，两轴转台滑动设置在弧型导轨上，并包括有垂直旋转驱动部件和倾斜驱动部件以设置航天器绕纵轴的回转角度和倾斜角度。弧线型机身的两侧水平端水平放置滑动配重块以确保测试中机身的质心平衡，滑动配重块与机身有导轨连接。电机带动可滑动的两轴转台在弧形导轨上运动，两轴转台可在0°到40°范围内设置任意倾斜角，并由内置的倾角传感器测量；两轴转台的台面可绕其中心轴360°旋转，由内置转角传感器测量。 

进一步地，三坐标转换机带动航天器绕其纵轴360°旋转，倾斜角优选20°到40°，并精确测量回转角和倾斜角，测量精度为0.01°。 

进一步地，弧形导轨的半径约等于航天器的质心高度，减小航天器偏心。 

本发明的航天器质量特性测试系统，包括质心和转动惯量综合测试台、上述的三坐标转换机及用于连接待测航天器到两轴转台上的花盆状测试工装。三坐标转换机设置在质心和转动惯量综合测试台上，进行机械固定，三坐标转换机中内置有倾角传感器和转角传感器，测量值直接由数显表显示。将设置的角度和与设置角度相对应的质心和转动惯量值人工输入计算机进行计算。所述三坐标转换机的动力电由快卸插头连接，测试过程中无任何外接引线，排除了处接引线造成的测试误差；角度测量数显表由三坐标转换机自带电池供电。 

一种使用本发明的航天器质量特性测试系统进行质量特性测试的方法，包括以下步骤： 

(1)三坐标转换机安装在质心、惯量综合测试台上，航天器安装在三坐标转换机上。航天器垂直状态时，测量航天器的质量和横向质心y、z； 

(2)控制三坐标转换机带动航天器倾斜一个角度α，测量倾斜后的航天器 Y轴质心Y_c′；利用公式(1)计算得到纵向质心X_c。 

Xc＝(Yc′-Yccosα)/sinα-R-H 

式中：Xc——纵向质心； 

Yc——横向Y轴质心； 

R——旋转轴中心到上台面距离，已知常量； 

H——花盆高度，已知常量。 

(3)航天器恢复垂直状态，测量航天器X轴转动惯量IX； 

(4)驱动三坐标转换机，航天器倾斜α角，测量航天器转动惯量I1。 

(5)驱动三坐标转换机将航天器绕X轴旋转90°，测量航天器转动惯量I3。 

(6)驱动三坐标转换机将航天器绕X轴再旋转90°，测量航天器转动惯量I2。 

(7)驱动三坐标转换机将航天器绕X轴再旋转90°，测量航天器转动惯量I4。 

(8)将I1、I2、I3、I4和α值代入下列公式： 

$I_y=\frac{1}{2{\sin }^2\mathrm{\α}}(I_1+I_2-2I_x)+I_x$

$I_z=\frac{1}{2{\sin }^2\mathrm{\α}}(I_3+I_4-2I_x)+I_x$

$I_{\mathrm{xy}}=\frac{I_1-I_2}{2\sin 2\mathrm{\α}}$

$I_{\mathrm{xz}}=\frac{I_3-I_4}{2\sin 2\mathrm{\α}},$

求得I_y、I_z、I_yz、I_xz。 

本发明的测量系统及测量方法与现有技术相比，优点在于：一方面，本发明的测量系统大幅度地提高了工作效率和安全性，在航天器及其他大型、精密、贵重试件的质量特性测试工作中值得推广。另一方面，在现有技术中，测量航天器惯性积必须用动平衡机旋转测量，但三轴稳定航天器由于采用碳纤维材料制造和箱体板式外型设计，不适合进行旋转运动测量，航天器的惯性积数据无法实测得出。而采用本发明的集成化测试系统和测量方法，可以比较容易地测 量惯性积，在惯性积的测量方法上实现了突破。本发明的集成化测试系统和测量方法可以提高工作效率数倍，同时大幅提高航天器测试的安全性与可靠性。 

附图说明

图1是包括本发明的三坐标转换机的航天器质量特性集成测试系统的结构示意图； 

其中，1为弧线型机身、2为两轴转台、3为配重块、4为弧型导轨、5为待测航天器、6为花盆状测试工装、7为质心和转动惯量综合测试台。 

图2是测试状态示意图； 

图3是本发明的用于航天器质量特性测试的三坐标转换机系统组成模块示意图； 

图4是本发明的用于航天器质量特性测量的测量方法流程图。 

具体实施方式

图1包括本发明的三坐标转换机的航天器质量特性集成测试系统的结构示意图，其中，三坐标转换机包括弧线型机身(1)、滑动两轴转台(2)、控制系统、角度测量系统，控制系统和角度测量系统与三坐标转换机集成一体；其中，弧线型机身(1)顶部设置有两平行的弧型导轨(4)，滑动两轴转台(2)设置在弧型导轨(4)上并包括有垂直旋转驱动机构和倾斜驱动机构，以调整卫星旋转角度和倾斜角度；弧线型机身(1)两侧的水平端附近水平放置滑动配重块(3)，以确保测试中机身的质心平衡，滑动配重块与机身有导轨连接；电机带动可滑动的两轴转台(2)在弧形导轨(4)上运动，两轴转台(2)可在0°到40°范围内设置任意倾斜角，并由内置的倾角传感器测量；两轴转台的台面可绕其中心轴360°旋转，由内置转角传感器测量。航天器(5)通过花盆状测试工装设置到三坐标转换机的两轴转台(2)上，从而带动航天器(5)绕其纵轴360°旋转，倾斜角0°到40°，并精确测量回转角和倾斜角，测量精度为0.01°。优选地，弧形导轨的半径约等于航天器的质心高度。航天器的类型通常为卫星或飞船舱段。此外，图2示出了用于航天器质量特性测试的三坐标转换机系统组成模块示意图。 

本发明的三坐标转换机设置在质心和转动惯量综合测试台上并进行机械 固定，通过花盆状测试工装(6)连接待测航天器(5)到两轴转台(2)。三坐标转换机中内置有倾角传感器和转角传感器，测量值直接由数显表显示。将设置的角度和与设置角度相对应的质心和转动惯量值人工输入计算机进行计算。所述三坐标转换机的动力电由快卸插头连接，测试过程中无任何外接引线，排除了外接引线造成的测试误差；角度测量数显表由三坐标转换机自带电池供电。 

在上述测量系统的基础上，可以进行航天器质量特性的测量，图3示出了本发明的用于航天器质量特性测量的测量方法流程图。本发明的用于航天器质量特性测量的具体测量方法如下： 

(1)三坐标转换机安装在质心、惯量综合测试台上，航天器安装在三坐标转换机上。航天器垂直状态时，测量航天器的质量和横向质心y、z； 

(2)控制三坐标转换机带动航天器倾斜一个角度α，测量倾斜后的航天器Y轴质心Y_c′；利用公式(1)计算得到纵向质心X_c； 

X_c＝(Y_c′-Y_ccosα)/sinα-R-H 

式中：X_c——纵向质心； 

Y_c——横向Y轴质心； 

R——旋转轴中心到上台面距离，已知常量； 

H——花盆高度，已知常量。 

(3)航天器恢复垂直状态，测量航天器X轴转动惯量I_X； 

(4)驱动三坐标转换机，航天器倾斜α角，测量航天器转动惯量I₁。 

(5)驱动三坐标转换机将航天器绕X轴旋转90°，测量航天器转动惯量I₃。 

(6)驱动三坐标转换机将航天器绕X轴再旋转90°，测量航天器转动惯量I₂。 

(7)驱动三坐标转换机将航天器绕X轴再旋转90°，测量航天器转动惯量I₄。 

(8)将I₁、I₂、I₃、I₄和α值代公式： 

$I_y=\frac{1}{2{\sin }^2\mathrm{\α}}(I_1+I_2-2I_x)+I_x$

$I_z=\frac{1}{2{\sin }^2\mathrm{\α}}(I_3+I_4-2I_x)+I_x$

$I_{\mathrm{xy}}=\frac{I_1-I_2}{2\sin 2\mathrm{\α}}$

$I_{\mathrm{xz}}=\frac{I_3-I_4}{2\sin 2\mathrm{\α}},$

求得I_y、I_z、I_yz、I_xx。 

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.用于航天器质量特性测量的弧线型三坐标转换机，包括：弧线型机身(1)、滑动两轴转台(2)、控制系统、角度测量系统，控制系统和角度测量系统与三坐标转换机集成一体；其中，弧线型机身(1)顶部设置有两平行的弧型导轨(4)，滑动两轴转台(2)设置在弧型导轨(4)上并包括有垂直旋转驱动机构和倾斜驱动机构，以调整航天器旋转角度和倾斜角度；弧线型机身(1)两侧的水平端附近水平放置滑动配重块(3)，以确保测试中机身的质心平衡，滑动配重块与机身有导轨连接；其特征在于：电机带动滑动两轴转台(2)在弧形导轨(4)上运动，滑动两轴转台(2)可在0°到40°范围内设置任意倾斜角，并由内置的倾角传感器测量；滑动两轴转台(2)的台面可绕其中心轴360°旋转，由内置转角传感器测量。

2.如权利要求1所述的三坐标转换机，其中，三坐标转换机带动航天器(5)绕其纵轴360°旋转，倾斜角0°到40°，并精确测量回转角和倾斜角，测量精度为0.01°。

3.如权利要求1或2所述的三坐标转换机，其中，弧形导轨的半径等于航天器的质心高度。

4.如权利要求1或2所述的三坐标转换机，其中，所述航天器为卫星或飞船舱段。

5.一种包括权利要求1-4任一项所述三坐标转换机的测量系统，其包括：质心和转动惯量综合测试台(7)、权利要求1-4之一的三坐标转换机及用于连接待测航天器到两轴转台上的花盆状测试工装(6)；其中，所述三坐标转换机设置在质心和转动惯量综合测试台上，进行机械固定；三坐标转换机中内部置有倾角传感器和转角传感器，测量值直接由数显表显示；将设置的角度和与设置角度相对应的质心和转动惯量值人工输入计算机进行计算。

6.如权利要求5所述的测量系统，其中，所述三坐标转换机的动力电由快卸插头连接，测试过程中无任何外接引线，排除了外接引线造成的测试误差；数显表由三坐标转换机自带电池供电。

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