CN103616149A - 整星微振动地面试验自由边界模拟装置支撑频率测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航天器整星微振动力学环境地面试验中自由边界模拟装置支撑频率测试方法，它从航天器整星微振动力学环境出发，该方法制定了在地面环境模拟航天器在轨自由边界状态的模拟装置支撑频率测试方法。包括试验准备、试验实施和试验完成三个阶段。依此方法构建的航天器整星微振动力学环境中自由边界模拟装置支撑频率的测试，获得航天器与自由边界模拟装置组成系统的频率特性，验证航天器地面整星微振动力学环境试验的自由边界模拟装置的设计指标，对航天器整星微振动力学环境试验的自由边界模拟装置的适应性作出评价。

Description

整星微振动地面试验自由边界模拟装置支撑频率测试方法
技术领域
本发明属于环境模拟试验技术领域。具体来说，涉及航天器整星微振动力学环境试验中测试和验证自由边界模拟装置频率特性的一种方法。
背景技术
微振动指航天器在轨运行期间，星上转动部件产生使星体产生一种幅值较小、频率较高的扰动响应。扰动对大部分航天器不会产生明显影响，通常予以忽略。但随着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(也称微扰动)产生的扰振问题越来越突出。近年来，微振动地面验证和分析的需求及要求越来越迫切，航天器微振动隔振及微振动地面验证和分析技术已经成为我国重大专项技术。
航天器与自由边界模拟装置（专利申请号：201310339738.6）耦合结构的前6阶模态频率即为支撑频率。
地面开展在轨微振动力学环境试验的关键技术之一是在轨自由边界的模拟技术及自由边界模拟装置支撑频率的测试方法。
国外文献有对于自由边界模拟的方法研究及报道，如机械悬挂式、电动/机械悬挂式、气浮式等，但是对于自由边界模拟装置支撑频率的测试方法未见报道。
发明内容
本发明的目的是研究和形成包括试验原理的整星微振动力学环境试验中自由边界模拟装置的支撑频率的测试，获取航天器和自由边界模拟装置组成的系统的频率特性，对航天器整星地面微振动试验的自由边界模拟的频率特性进行科学、客观的评价。
本发明的航天器整星微振动地面试验自由边界模拟装置支撑频率测试方法包括以下步骤：
试验准备：
选择性能不低于以下指标的电容式加速度传感器，其主要性能为：（1）传感器灵敏度500mv/g；（2）频率范围0～500Hz；
在航天器的主结构位置、航天器与自由边界模拟装置的连接位置上按照航天器直角坐标系的X、Y、Z三个方向（一般X、Y向为水平正交的两个方向，Z向为正交的垂直地面的方向）安装多个电容式加速度传感器；
将航天器通过整星接口与自由边界模拟装置连接；
将电容式传感器导线连接至数据采集系统，构建测量支撑频率的测量系统；
数据采集、处理、存储参数设置（数据采集系统采样率设置200Hz、频率范围设置0～100Hz、采集时间设置大于50S、数据处理、存储方式设置时域数据和频谱数据）。
试验测试：
为获取X/Y向弯曲频率，应用摆式法即在航天器的偏离质心位置附近、航天器表面分别沿_X/Y方向施加推力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，该外力大小以能够使系统振荡为准；
释放外力，使系统振荡，同时进行时域数据采集和处理；
采集、处理数据结束，根据时域信号特征及频谱分析，获取X/Y向弯曲频率（f=1/T，f-频率；T-时域周期信号的一个周期）。
为获取Z向平动频率，应用摆式法即在航天器的Z向上表面或下表面附近沿Z向施加外力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，该推力以能够使系统振荡为准；
释放外力，使系统振荡，同时进行数据采集和处理；
采集、处理数据结束，根据时域信号特征及频谱分析，获取Z向平动支撑频率。
为获取Z向扭转频率，应用摆式法即在航天器的质心位置附近航天器表面在XY平面45度对称位置同时沿顺时针或逆时针方向施加扭转力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统扭转，该外力以能够使系统扭转振荡为准；
释放外力，使系统扭转振荡，同时进行数据采集和处理；
采集、处理数据结束，根据时域信号特征及频谱分析（f=1/T，f-频率；T-时域周期信号的一个周期），获取Z向扭转支撑频率。
本发明技术方案的特点包括：
具有技术可行性。该方法是在力学的基本原理结合试验特点，提出的新试验模式和流程；
应用该方法（摆式法即在偏离航天器的质心位置附近航天器表面分别沿航天器三维坐标的_X/Y/Z方向施加外力或在航天器的质心位置附近航天器表面在航天器直角坐标系的45度对称平面位置同时沿顺时针或逆时针方向施加扭转力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，使系统振荡。）可以快捷、方便获取自由边界模拟系统的频率特性，可以现场对自由边界模拟系统的特性进行评估。
不仅反映了航天器整星微振动地面试验自由边界模拟系统支撑频率测试的主要技术方向，也有利于采用该模式的工程化应用。
目前，基于本发明包括的试验模式、试验方法、试验流程，我所已研制完成了某航天器整星微振动地面试验中自由边界模拟系统支撑频率测试，并经过专家的评审、鉴定。
附图说明
图1～图2是航天器整星微振动地面试验自由边界模拟装置支撑频率测试过程试验示意图。
图1是进行X向施加力，获得航天器和自由边界模拟装置组成的系统X向弯曲频率特性（同理进行Y向施加力，获得航天器和自由边界模拟装置组成的系统Y向弯曲频率特性）。图1中：1为航天器；2为自由边界模拟装置；3为推力。
图2是进行Z向施加扭转力，获得航天器和自由边界模拟装置组成的系统Z向扭转频率特性。
图2中：1为航天器；2为自由边界模拟装置；3为扭转力。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
作为示例，本发明采用了摆式法测试航天器整星微振动地面试验自由边界模拟系统支撑频率。
该测试方法的原理为自由边界的模拟底部支撑等方式。由于是自由-自由边界的模拟，因此，航天器和自由边界模拟装置组成的系统的模态频率（支撑频率）近似自由，频率很低，对于航天器和自由边界模拟装置组成的系统系统的模态频率（简称支撑频率）的测试采用摆式法测量支撑频率。该方法是即在偏离航天器的质心位置附近航天器表面分别沿航天器三维坐标的X/Y/Z方向施加外力或在航天器的质心位置附近航天器表面在航天器直角坐标系的45度对称平面位置同时沿顺时针或逆时针方向施加扭转力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，使系统振荡。
如图1～图2所示。
其中图1是进行X向施加力，获得航天器和自由边界模拟装置组成的系统X向弯曲频率特性（同理进行Y向施加力，获得航天器和自由边界模拟装置组成的系统Y向弯曲频率特性）。图2是进行Z向施加扭转力，获得航天器和自由边界模拟装置组成的系统Z向扭转频率特性。
本发明的测试方法，具体实施步骤如下：
试验准备：
选择性能不低于以下指标的电容式加速度传感器，其主要性能为：（1）传感器灵敏度500mv/g；（2）频率范围0～500Hz；
在航天器的主结构位置、航天器与自由边界模拟装置的连接位置上按照航天器直角坐标系的X、Y、Z三个方向（一般X、Y向为水平正交的两个方向，Z向为正交的垂直地面的方向）安装（多个）电容式加速度传感器；
将航天器通过整星接口与自由边界模拟装置连接；
将电容式传感器导线连接至数据采集系统，构建测量支撑频率的测量系统；
数据采集、处理、存储参数设置（数据采集系统采样率设置200Hz、频率范围设置0～100Hz、采集时间设置大于50S、数据处理、存储方式设置时域数据和频谱数据）。
试验测试：
为获取X/Y向弯曲频率，应用摆式法即在航天器的偏离质心位置附近、航天器表面分别沿_X/Y方向施加外力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，该推力大小以能够使系统振荡为准；
释放推力，使系统振荡，同时进行时域数据采集和处理；
采集、处理数据结束，根据时域信号特征及频谱分析（f=1/T，f-频率；T-时域周期信号的一个周期），获取X/Y向弯曲频率。
为获取Z向平动频率，应用摆式法即在航天器的Z向上表面或下表面附近沿Z向施加推力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，该外力以能够使系统振荡为准；
释放外力，使系统振荡，同时进行数据采集和处理；
采集、处理数据结束，根据时域信号特征及频谱分析，获取Z向平动支撑频率。
为获取Z向扭转频率，应用摆式法即在航天器的质心位置附近航天器表面在XY平面45度对称位置同时沿顺时针或逆时针方向施加扭转力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统扭转，该外力以能够使系统扭转振荡为准；
释放外力，使系统扭转振荡，同时进行数据采集和处理；
采集、处理数据结束，根据时域信号特征及频谱分析（f=1/T，f-频率；T-时域周期信号的一个周期），获取Z向扭转支撑频率。
例如对某航天器系统的自由边界模拟装置支撑频率测试所测得的数据如表1所示。
表1测试xx航天器采用自由边界模拟装置的测试结果
Figure BDA0000420080880000071

Claims (3)

1.航天器整星微振动地面试验自由边界模拟装置的支撑频率测试方法，包括以下步骤：
试验准备：
选择灵敏度不低于500mv/g、频率范围0～500Hz的电容式加速度传感器；
在航天器的主结构位置上以及航天器与自由边界模拟装置的连接位置上按照航天器直角坐标系的X、Y、Z三个方向安装多个电容式加速度传感器；
将航天器通过整星接口与自由边界模拟装置连接；
将若干加速度传感器通过导线连接至数据采集系统，构建测量支撑频率的测量系统；
数据采集、处理并存储参数数据，其中，数据采集系统采样率设置为200Hz，频率范围设置0～100Hz、采集时间设置大于50S、参数数据包括时域信号数据和频谱数据；
试验测试：
为获取X/Y向平动频率（TX/TY），应用摆式法即在航天器的质心位置附近航天器表面分别沿X/Y方向施加外力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，该外力大小以能够使系统振荡为准；
启动数据采集系统，释放外力，使系统振荡并进行数据采集和处理；
根据采集的时域信号数据及频谱数据，获取X/Y向TX/TY支撑频率，其中，f=1/T，f为频率；T为时域周期信号的一个周期；
为获取Z向平动频率（TZ），应用摆式法即在航天器的Z向上表面或下表面附近沿Z向施加外力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，该外力以能够使系统振荡为准；
启动数据采集系统，释放外力，使系统振荡并进行数据采集和处理；
根据采集的时域信号数据及频谱数据，获取Z向TZ支撑频率，其中f=1/T，f为频率；T为时域周期信号的一个周期；
为获取X/Y向扭转频率（RX/RY），应用摆式法即在航天器的质心位置上部航天器表面分别绕X/Y方向施加转动外力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统偏离平衡位置，该外力以能够使系统振荡为准；
启动数据采集系统，释放外力，使系统振荡并进行数据采集和处理；
根据采集的时域信号数据及频谱数据，同样获取绕X/Y向的RX/RY支撑频率；
为获取绕Z向扭转频率（RZ），应用摆式法即在航天器的质心位置附近航天器表面在XY平面45度对称位置同时沿顺时针或逆时针方向施加外力，使航天器与自由边界模拟装置组成的系统扭转，该外力以能够使系统扭转振荡为准；
启动数据采集系统，释放外力，使系统扭转振荡并进行数据采集和处理；
根据采集的时域信号数据及频谱数据，获取绕Z向的RZ支撑频率。
2.如权利要求1所述的测试方法，其中，若干电容式加速度传感器围绕着航天器与自由边界模拟装置连接位置的圆周均匀布置。
3.如权利要求1所述的测试方法，其中，若干电容式加速度传感器的数量为10个以上。
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