CN102650563B - 航天器在轨微振动地面试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航天器在轨微振动地面试验系统,包括隔振地基、框架结构的支撑桁架,悬挂定位平台,重力悬挂补偿单元,综合控制分系统,微振动测量分系统,试验数据处理分析分系统,其中,隔振地基与大地相连,框架结构的支撑桁架固定支撑在隔振地基上,悬挂定位平台支撑在支撑桁架上,悬挂定位平台上吊设有重力补偿单元,综合控制分系统通过各处的传感器协调控制悬挂定位平台的定位和固定,同时对系统的状态进行全局综合控制;本系统实现了航天器系统级与部组件级在轨微振动环境的地面模拟和微振动的测量与数据处理,提高了航天器微振动试验技术水平,满足航天器特别是高精度卫星研制过程中在轨微振动环境的试验验证需求。

Description

航天器在轨微振动地面试验系统
技术领域
[0001] 本发明属于航天器微振动试验领域,具体涉及一种航天器在轨微振动的地面试验系统。
背景技术
[0002] 微振动指航天器在轨运行期间,星上转动部件高速转动、大型可控构件驱动机构步进运动、变轨调姿期间推力器点火工作、大型柔性结构进出阴影冷热交变诱发扰动等都会使星体产生一种幅值较小、频率较高的扰动响应。大多数航天器都存在微振动扰动源,由于微振动力学环境效应幅值小、频率高,对大部分航天器不会产生明显影响,通常予以忽略。但随着军事侦察、预警以及民用卫星空间相机对空间分辨率和图像成像质量等要求的不断提高,微振动产生的扰振问题越来越突出,高分辨率对地观测系统研宄已经成为我国重大专项技术。
[0003] 高精度航天器在轨微振动的力学环境极其复杂,通常仅依靠理论建模和仿真评估的手段对微振动幅值及频谱分布进行评估,来预示微振动对高精度航天器的影响,或仅做部分有效载荷单机的地面微振动试验,来验证微振动对有效载荷的力学环境效应。理论建模与仿真评估的方法有助于对微振动环境的机理进行分析,但缺乏试验验证结果的支持,难以满足航天器型号研制中的试验验证需求;而部分有效载荷单机的地面微振动试验也只能从局部位置对航天器在轨微振动环境进行简单的模拟,与航天器系统的微振动环境误差较大。
[0004] 因此,为了实现航天器系统级兼顾部组件级在轨微振动的地面模拟试验,必须设计一套完整的试验系统,解决微振动环境模拟和微振动信号测量与分析技术,满足航天器特别是高分辨率卫星微振动环境试验验证需求。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种完整的航天器在轨微振动地面模拟试验系统,用于在地面实现航天器系统在轨微振动环境的模拟及微振动效应的测试与分析,为航天器特别是高分辨率卫星在轨力学环境的适应性测试和试验验证提供支撑。
[0006] 本发明采用了如下的技术方案:
[0007] 一种航天器在轨微振动地面试验系统,包括隔振地基、框架结构的支撑桁架,悬挂定位平台,重力悬挂补偿单元,综合控制分系统,微振动测量分系统,试验数据处理分析分系统,其中,隔振地基与大地相连,支撑桁架固定支撑于隔振地基,悬挂定位平台支撑在支撑桁架上并可在水平面内进行二维移动,进行精确定位,悬挂定位平台上吊设有重力补偿单元以对其下部吊挂的被测试验件进行重力补偿,所述综合控制分系统通过设置在支撑桁架、悬挂定位平台、重力悬挂补偿单元各处的传感器协调控制悬挂定位平台的定位和固定,同时监控系统各个传感器的测量值,对系统的状态进行全局综合控制;所述的微振动测量分系统测量被测试验件结构的微振动并与微振动试验数据分析系统进行电通信,以对微振动测量分析采集的微振动响应数据进行特征分析。
[0008] 其中,上述隔振地基主要包括隔振器、地基平台和支撑桁架安装接口。
[0009] 进一步地,隔振器主要为空气弹簧或弹簧-阻尼器。
[0010] 进一步地,地基平台主要为具有一定承载力钢筋混凝土或复合地基类结构。
[0011] 其中,上述支撑桁架的主体为框架式结构,主要采用不锈钢或铝合金等金属材料制成,框架结构由多个框架结构基本单元组成,框架结构基本单元可由多个承力杆构件通过K型节点或T型节点连接组成。
[0012] 其中,悬挂定位平台包括:航天器本体悬挂点的重载悬挂定位平台;大型活动展开机构悬挂点的中载悬挂定位平台和小型活动展开机构悬挂点的轻载悬挂平台。
[0013] 进一步地,各种悬挂定位平台均包括二维运动装置和位置测定装置。
[0014] 其中,重力悬挂补偿单元根据载荷的大小和实现方式的差别,分为重/中/轻载三类补偿单元。
[0015] 进一步地,三类补偿单元基本组成主要包括:恒力执行装置、恒力测定装置、恒力控制辅助装置。
[0016] 进一步地,三类补偿单元均采用被动补偿和主动补偿的方式进行重力补偿。
[0017] 进一步地,被动补偿主要通过弹簧和连杆等组合机构构成的零刚度弹簧或储气罐和无摩擦气缸及活塞构成的气动弹簧实现。主动补偿在被动补偿的环节中加入力/位移等信号采集装置,反馈到控制系统形成对弹性元件的闭环控制,对重力进行闭环补偿。
[0018] 其中,综合控制分系统主要包括悬挂定位控制单元、悬挂补偿力控制单元、监控单元以及人机交互界面等几部分。
[0019] 进一步地,悬挂定位控制单元通过悬挂定位平台的位置测定装置获取悬挂定位平台的各个运动部件的位置信息,并可发出指令控制悬挂定位平台运动和定位。悬挂补偿控制单元通过布置在重力补偿单元上的力传感器获取力补偿数据。监控单元通过计算机监测和显示全系统机电设备和传感器的实时状态。人机交互界面通过配套的计算机应用软件,负责指令下发和各个分系统的交互通信。这些部件都已经是本领域的公知设备,对其结构不再赘述。
[0020] 其中,微振动测量分系统由微振动传感器、激光测振仪、信号调节放大器、微振动信号采集系统组成。微振动测量分系统采用两种方式进行微振动测量,
[0021] 进一步地,微振动传感器为接触式微振动测量装置,通过在被测试验上粘贴加速度传感器获取测点的加速度信息,激光测振仪为非接触式测量装置,利用激光测振原理,获取测点的位置和速度信息。微振动测量分系统具备多通道测量能力。
[0022] 其中,所述的试验数据处理分析分系统用于对微振动测量分系统采集的微振动响应数据进行特征分析。通过各分系统的联合工作,实现航天器在轨微振动环境的地面模拟和微振动信号的测量与分析。
[0023] 其中,所述被测试件为航天器整体和(或)单机部件。
[0024] 本发明建立了一套完整的航天器在轨微振动环境地面试验系统,实现航天器系统级与部组件级在轨微振动环境的地面模拟和微振动的测量与数据处理,提高航天器微振动试验技术水平,满足航天器特别是高精度卫星研制过程中在轨微振动环境的试验验证需求。
附图说明
[0025] 图1为本发明的航天器在轨微振动地面试验系统结构示意图。
[0026] 图2为本发明的航天器在轨微振动地面试验系统框图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明的航天器在轨微振动地面试验系统作进一步的说明。
[0028] 图1是航天器在轨微振动地面试验系统示意图。其中,本发明的航天器在轨微振动地面试验系统包括隔振地基、框架结构的支撑桁架,悬挂定位平台,重力悬挂补偿单元,综合控制分系统,微振动测量分系统,试验数据处理分析分系统,其中,隔振地基与大地相连,框架结构的支撑桁架固定支撑于隔振地基,悬挂定位平台支撑在支撑桁架上并可在水平面内进行二维移动,进行精确定位,悬挂定位平台上吊设有重力补偿单元以对其下部吊挂的被测试验件进行重力补偿,所述综合控制分系统通过设置在支撑桁架、悬挂定位平台、重力悬挂补偿单元各处的传感器协调控制悬挂定位平台的定位和固定,同时监控系统各个传感器的测量值,对系统的状态进行全局综合控制;所述的微振动测量分系统测量被测试验件结构的微振动并与微振动试验数据处理分析分系统进行电通信,以对微振动测量分系统采集的微振动响应数据进行特征分析。各分系统的功能及具体实施方式如下:
[0029] (I)隔振地基
[0030] 隔振地基的作用是固定支撑桁架,减少周围大地的环境振动通过桁架系统对整个试验系统形成扰动。隔振地基主要包括隔振器、地基平台、以及支撑桁架安装接口。隔振器一端与大地固定,一端支撑地基平台,并且采用多点多方向支撑,即多个隔振器分布支撑在地基平台的侧面和底部,实现水平和垂直两个方向的隔振。隔振器可采用空气弹簧或机械弹簧-阻尼隔振器等实现;地基平台可采用钢筋混凝土或复合地基类结构实现,具备足够的承载力。支撑桁架安装接口为一般机械安装接口。
[0031] (2)支撑桁架
[0032] 支撑桁架分系统的作用提供整个试验对象的负载支撑,同时为悬挂定位平台分系统提供安装基础和接口,并具备电缆走线、安装多种小型测试设备的灵活接口功能。支撑桁架形式上采用框架式结构,主要采用不锈钢/铝合金等金属材料,框架结构由多个框架结构基本单元组成,框架结构基本单元可由多个承力杆构件通过K型节点或T型节点连接组成。支撑桁架顶部形成支撑平台,提供悬挂定位平台的安装基础和接口。支撑桁架具备承载需求的刚度和强度。
[0033] (3)悬挂定位平台
[0034] 悬挂定位平台的主要作用是为重力悬挂补偿单元提供安装平台和接口,同时自身在支撑桁架分系统上能够高精度定位和固定。根据悬挂定位平台承载的重力悬挂补偿单元的不同,悬挂定位平台包括三类:第一类是航天器本体悬挂点的重载悬挂定位平台;第二类是大型活动展开机构悬挂点的中载悬挂定位平台;第三类是小型活动展开机构悬挂点的轻载悬挂平台。三种类型平台的组成基本一致,均包括二维运动装置和位置测定装置。二维运动装置可在支撑桁架顶部支撑平台平面内作平面运动,以调节悬挂点的位置;位置测定装置用于测定悬挂定位平台的位置,确保悬挂点可以调节到指定的位置。
[0035] 二维运动装置主要包括平面运动导轨和平面运动部件组成,平面运动导轨覆盖整个试验区域平面,平面运动部件在平面运动导轨上运动或停止固定,实现二维运动和定位,平面运动部件可采用驱动电机及滑轮等方式实现;二维运动装置的位置监测利用位置测定装置实现,位移测定装置可利用非接触测量的IGPS原理或接触式的码盘或位移传感器等方式实现,从而实现对悬挂定位平台的定位和测量。
[0036] (4)重力悬挂补偿单元
[0037] 重力悬挂补偿单元与被测试验件许可吊装接口相连,提供相应的重力补偿。所发明的系统采用多点分布式悬挂,由多个重力悬挂补偿单元构成分布式的重力补偿网络节点,从而实现对整个被测试验件的重力补偿,在地面近似实现零重力环境模拟。为匹配不同的悬挂定位平台,重力悬挂补偿单元根据载荷的大小和实现方式的差别,分为重/中/轻载等三类补偿单元,三类补偿单元基本组成主要包括:恒力执行装置、恒力测定装置、恒力控制辅助装置。三类补偿单元均采用被动补偿和主动补偿的方式进行重力补偿。其中被动补偿主要通过弹簧和连杆等组合机构构成的零刚度弹簧或储气罐和无摩擦气缸及活塞构成的气动弹簧实现,提供较大的恒定的悬挂力,平衡被测试件的重量。主动补偿在被动补偿的环节中加入力/位移等信号采集装置,反馈到控制系统形成对弹性元件的闭环控制,对被动悬挂力进行动态调节,满足悬挂力微小的动态变化的补偿。典型的重力补偿单元可由类似或基于美国CSA工程公司的60350-DA的零重力悬挂装置的气动-电磁耦合补偿原理实现。
[0038] (5)综合控制分系统
[0039] 综合控制分系统的作用是协调控制悬挂定位平台定位和固定,同时监控系统各个传感器的测量值,对系统的状态进行全局综合控制。综合控制分系统主要包括悬挂定位控制单元、悬挂补偿力控制单元、监控单元以及人机交互界面等几部分。其中悬挂定位控制单元通过悬挂定位平台的位置传感器获取悬挂定位平台的位置信息,并发出控制指令,控制悬挂定位平台的运动部件运动和停止。悬挂补偿力控制单元通过布置在重力悬挂补偿单元上的力传感器获取补偿力数据,进行重力主动补偿。监控单元通过计算机监测和显示全系统机电设备和传感器的实时状态。人机交互界面通过配套的计算机应用软件,负责指令下发和各个分系统的交互通信。
[0040] (6)微振动测量分系统
[0041 ] 微振动测量主要是测量试验件结构的微振动响应。微振动测量分系统由微振动传感器、激光测振仪、信号调节放大器、微振动信号采集系统组成。微振动测量分系统采用两种方式进行微振动测量,其中微振动传感器为接触式微振动测量装置,通过将微振动传感器粘贴于试验件测点处,获取试验件测点的微振动加速度信息,激光测振仪为非接触式测量装置,利用激光测振原理,获取试验件上测点的位置和加速度信息,微振动传感器或激光测振仪获取的加速度信息首先传输给信号调节器,进行信号的放大处理等,再传递给数据采集器,将加速度信号进行数值转换并采集。微振动测量分系统具备多通道测量能力。
[0042] (7)试验数据处理分析分系统
[0043] 试验数据处理分析分系统用于对微振动测量分析统采集的微振动响应数据进行特征分析,其组成主要包括试验数据处理分析计算机系统和试验数据处理分析软件。微振动测量分系统将获取的微振动测量信号传递到试验数据处理分析计算机系统,然后由机载试验数据处理分析软件对试验数据进行分析,首先对数据进行预处理分析,对原始信号进行的检验和加工,通过检验将信号加以分类,以确定数据处理的内容。通过预处理,为数据处理提供真实的和高质量的原始数据,以保证数据处理结果的准确性。然后继续对微振动数据进行检查,对过大的背景噪声、电源干扰、虚假趋势或信号丢失现象进行检查、分析,包括FFT谱分析方法、小波分析方法等对数据分析,然后进一步对信号中的异常点、虚假趋势、过大噪声等进行处理。
[0044] 图2是本发明的航天器在轨微振动地面试验系统框图。其中,卫星试验件通过重力补偿单和悬挂定位平台悬挂吊装在支撑桁架上,综合控制分系统根据悬挂定位平台位置传感器信息控制悬挂定位平台运动,调整重力补偿单元与卫星试验件的吊点,同时根据重力补偿单元力传感器信息调节重力补偿单元的主动补偿力,使卫星试验件处于模拟零重力环境下的平衡稳定的位置;微振动传感器粘贴在卫星指定位置处,非接触式测量装置标定于卫星指定测点处,与数据采集器和试验数据处理分系统设置好数据连接;然后在卫星试验件上施加微振动模拟激励或利用卫星本身的陀螺旋转、可动部件驱动电机等器件的工作模拟激励,使卫星试验件产生微振动,微振动传感器和非接触式测量装置测量微振动信号,并由数据采集器进行数据采集,采集到的微振动数据传输给试验数据处理分系统进行试验数据的处理分析。
[0045] 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 (11)

1.一种航天器在轨微振动地面试验系统,包括隔振地基、框架结构的支撑桁架,悬挂定位平台,重力悬挂补偿单元,综合控制分系统,微振动测量分系统,试验数据处理分析分系统,其中,隔振地基与大地相连,框架结构的支撑桁架固定支撑在隔振地基上,悬挂定位平台支撑在支撑桁架上并可在水平面内进行二维移动,进行精确定位,悬挂定位平台上吊设有重力补偿单元以对其下部吊挂的被测试验件进行重力补偿,所述综合控制分系统通过设置在支撑桁架、悬挂定位平台、重力悬挂补偿单元各处的传感器协调控制悬挂定位平台的定位和固定,同时监控系统各个传感器的测量值,对系统的状态进行全局综合控制;所述的微振动测量分系统测量被测试验件结构的微振动并与微振动试验数据处理分析分系统进行电通信,以对微振动测量分析采集的微振动响应数据进行特征分析,其中,悬挂定位平台包括:航天器本体悬挂点的重载悬挂定位平台;大型活动展开机构悬挂点的中载悬挂定位平台和小型活动展开机构悬挂点的轻载悬挂平台,重力悬挂补偿单元根据载荷的大小和实现方式的差别,分为重/中/轻载三类补偿单元,三类补偿单元基本组成包括:恒力执行装置、恒力测定装置、恒力控制辅助装置。
2.如权利要求1所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中隔振地基主要由隔振器、地基平台和支撑桁架接口组成,实现大地振动的隔离和支撑桁架的固定。
3.如权利要求1所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中,所述支撑桁架的主体为框架式结构,主要采用不锈钢或铝合金金属材料制成,框架结构由多个框架结构基本单元组成,框架结构基本单元由多个杆构件通过K型节点或T型节点连接组成。
4.如权利要求1所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中,各种载荷的悬挂定位平台均包括二维运动装置和位置测定装置。
5.如权利要求1所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中,综合控制分系统包括悬挂定位控制单元、悬挂补偿力控制单元、监控单元以及人机交互界面。
6.如权利要求5所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中,悬挂定位控制单元通过悬挂定位平台的位置测定装置获取悬挂定位平台上各个运动部件的位置信息,并可发出指令控制悬挂定位平台运动和定位。
7.如权利要求1所述的航天器在轨微振动地面试验系统,悬挂补偿控制单元通过布置在悬挂补偿单元上的力传感器获取力补偿数据;监控单元通过计算机监测和显示全系统机电设备和传感器的实时状态;人机交互界面通过配套的计算机应用软件,负责指令下发和各个分系统的交互通信。
8.如权利要求1所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中,微振动测量分系统包括接触式微振动测量和非接触式微振动测量。
9.如权利要求8所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中接触式微振动测量通过接触式加速度传感器进行微振动加速度测量。
10.如权利要求8所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中非接触式微振动测量通过非接触式激光测振仪进行微振动加速度测量。
11.如权利要求1所述的航天器在轨微振动地面试验系统,其中试验数据处理分析分系统对微振动测量数据进行滤波分析、FFT频谱分析以及小波分析。
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