CN103994847A - 一种空间展开机构锁定撞击力测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间展开机构锁定撞击力测试系统，包括：安装结构，第一部分与一航天飞行器本体模拟墙固支连接，第二部分与空间展开机构刚性连接；六维力/力矩测量组件，连接在第一部分和第二部分之间，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中的力和力矩的大小、方向；三向加速度传感器，连接空间展开机构，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中在三个方向上的加速度；角速度传感器，连接空间展开机构，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中的角速度；数据采集与分析系统，连接六维力/力矩测量组件、三向加速度传感器以及角速度传感器，用以根据检测得到的数据可直接或间接的解算空间展开机构在展开锁定工程中的锁定撞击力。

Description

一种空间展开机构锁定撞击力测试系统
技术领域
本发明涉及航天飞行器技术领域，特别涉及一种用于航天器空间展开机构展开过程中的锁定撞击力的测试系统。 
背景技术
目前，航天飞行器上的空间展开机构如天线展开机构、太阳翼展开机构等由于受限于运载火箭空间包络限制，在发射段需收拢并压紧安装在航天器本体上，航天飞行器入轨后再解锁展开。空间展开机构在展开锁定过程中由于受运动状态的突然改变会产生很强的动态力学载荷，尤其是在空间展开机构与航天飞行器本体连接点和空间展开机构本身的铰链展开锁定机构附近。 
虽然目前的一些虚拟仿真手段可以分析空间展开机构在展开过程中的锁定撞击力，但是分析结果往往误差很大，这给空间展开机构的强度计算带来输入条件的不确定性问题和风险，同时对空间展开机构本身的结构与机构轻量化设计带来难题。 
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。 
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种空间展开机构锁定撞击力测试系统。本发明通过以下技术方案实现： 
一种空间展开机构锁定撞击力测试系统，用以对一空间展开机构进行锁定撞击力测试，包括： 
安装结构，包括第一部分和第二部分，第一部分与一航天飞行器本体模拟墙固支连接，第二部分与空间展开机构刚性连接； 
六维力/力矩测量组件，连接在第一部分和第二部分之间，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中的力和力矩的大小、方向； 
三向加速度传感器，连接空间展开机构，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中在三个方向上的加速度； 
角速度传感器，连接空间展开机构，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中的角速度； 
数据采集与分析系统，连接六维力/力矩测量组件、三向加速度传感器以及角速度传感器，用以根据六维力/力矩测量组件检测得到的数据，直接解算空间展开机构的锁定撞击力；或者，根据三向加速度传感器以及角速度传感器检测得到的数据，间接解算空间展开机构的锁定撞击力。 
较佳的，六维力/力矩测量组件包括若干三向力传感器，用以检测三个方向上的力，通过三个方向的力来解算出三个方向的力矩，再通过数据采集与分系统获取六个方向的力元素，实现空间展开机构锁定撞击力的直接测量。 
较佳的，根据三向加速度传感器以及角速度传感器检测得到的数据，间接解算空间展开机构的锁定撞击力包括： 
通过激振器或锤击使三向加速度传感器检测到加速度，再通过数据采集与分析系统获取空间展开机构的模态响应传递函数和动态响应传递函数，从而解算出锁定撞击力。 
较佳的，数据采集与分析系统根据角速度传感器检测得到的角速度，通过时域响应曲线对比确认空间展开机构的锁定撞击时刻。 
较佳的，还包括： 
数据采集前端，连接六维力/力矩测量组件、三向加速度传感器以及角速度传感器，用以记录六维力/力矩测量组件、三向加速度传感器以及角速度传感器检测到的数据，并将所记录的数据通过TCP/IP协议传输至数据采集与分析系统。 
较佳的，三向加速度传感器连接于空间展开机构铰链机构锁定撞击点。 
本发明提供的一种空间展开机构锁定撞击力测试系统，其工作过程简单、快速、有效，解决了空间展开机构在展开锁定工程中的锁定撞击力测试问题。 
附图说明
图1所示的是本发明实施例的安装结构示意图； 
图2所示的是本发明实施例的连接结构示意图； 
图3-6分别所示的是本发明实施例中六维力/力矩测量组件与安装结构的连接示意图的正视图、俯视图、仰视图、侧视图； 
图7-9分别所示的是本发明实施例中六维力/力矩测量组件的正视图、俯视图、侧视图； 
图10、11所示的是本发明实施例中六维力/力矩测量组件的原理图； 
图12所示的是本发明实施例中三向加速度传感器以及角速度传感器的连接示意图。 
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。 
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。 
本发明提供一种空间展开机构锁定撞击力测试系统，用以对一空间展开机构进行锁定撞击力测试，包括：安装结构，包括第一部分和第二部分，第一部分与一航天飞行器本体模拟墙固支连接，第二部分与空间展开机构刚性连接；六维力/力矩测量组件，连接在第一部分和第二部分之间，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中的力和力矩的大小、方向；三向加速度传感器，连接空间展开机构，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中在三个方向上的加速度；角速度传感器，连接空间展开机构，用以检测空间展开机构在展开锁定撞击过程中的角速度；数据采集与分析系统，连接六维力/力矩测量组件、三向加速度传感器以及角速度传感器，用以根据六维力/力矩测量组件检测得到的数据，直接解算空间展开机构的锁定撞击力；或者，根据三向加速度传感器以及角速度传感器检测得到的数据，间接解算空间展开 机构的锁定撞击力。 
如图1-2所示，在本例中六维力/力矩测量组件3与安装结构4、7连接，安装结构7与空间展开机构2连接，三向加速度传感器5与角速度传感器6与空间展开机构2连接，数据采集前端9与六维力/力矩测量组件3、三向加速度传感器5与角速度传感器6连接，数据采集与分析系统10与数据采集前端9连接。空间展开机构2处于悬挂状态或气浮平台上，以此平衡自身重力。 
如图3-6所示，六维力/力矩测量组件3与安装结构4、7连接，安装结构4与航天飞行器本体模拟墙1固支连接即限制三个方向的平动位移和三个方向的转动位移，使之近似成为一个整体，所述安装结构7与空间展开机构2刚性连接，以便能够真实地进行力和力矩的传递，使得空间展开机构2在展开锁定过程中将载荷能有效传递给六维力/力矩测量组件3。 
如图7-9所示，六维力/力矩测量组件3的数据电缆接口H1与数据采集前端9相连，使得采集的电压信号能够传递给数据采集与分析系统10。 
如图10-11所示，六维力/力矩测量组件3由四个三向力传感器组成，通过四个三向力传感器测得的数据可以解算出空间展开机构2锁定撞击过程中的三个方向的撞击力和三个方向的力矩，通过数据采集与分析系统10直接解算出空间展开机构2的锁定撞击力，实现本发明的撞击力直接测量。解算公式见式(1)-式(6): 
Fx＝Fx1+Fx2+Fx3+Fx4    (1) 
Fy＝Fy1+Fy2+Fy3+Fy4     (2) 
Fz＝Fz1+Fz2+Fz3+Fz4     (3) 
Mx＝L*(Fz1+Fz2–Fz3–Fz4)    (4) 
My＝H*(-Fz1+Fz2+Fz3–Fz4)    (5) 
Mz＝L*(-Fx1-Fx2+Fx3+Fx4)+H*(Fy1-Fy2-Fy3+Fy4)    (6) 
如图12所示，在所述空间展开机构上布置所述加速度测量传感器若干。如图12用激振器沿撞击力方向施加正弦力f＝Feiωt，测量加速度响应a＝A(ω)eiωt，激振力与加速度幅值之间存在关系A(ω)＝H(ω)F。根据测量所得的A(ω)和F，通过数据采集与分析系统10获得频响函数H(ω)及传递函数 
在所述空间展开机构展开锁定过程中测量所述空间展开机构撞击后的加速度响应a(t)，测量所得的加速度响应a(t)与未知的撞击力f(t)经过Laplace变换后存在关系： 
其中a(s)和f(s)分别是a(t)和f(t)的Laplace变换。于是，撞击力可以用下式计算后得到： 
表示Laplace反变换。三向加速度传感器5与角速度传感器6通过电压信号的形式传递给数据采集前端9，并通过FPC/IP协议传输给数据采集与分析系统10，通过数据采集与分析系统10间接解算出空间展开机构2的锁定撞击力，实现本发明的撞击力间接测量。 
通过本发明，可实现锁定撞击力的直接测量和间接测量，其工作过程简单、可靠、有效。 
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (6)

1.一种空间展开机构锁定撞击力测试系统，用以对一空间展开机构进行锁定撞击力测试，其特征在于，包括：
安装结构，包括第一部分和第二部分，所述第一部分与一航天飞行器本体模拟墙固支连接，所述第二部分与所述空间展开机构刚性连接；
六维力/力矩测量组件，连接在所述第一部分和所述第二部分之间，用以检测所述空间展开机构在展开锁定撞击过程中的力和力矩的大小、方向；
三向加速度传感器，连接所述空间展开机构，用以检测所述空间展开机构在展开锁定撞击过程中在三个方向上的加速度；
角速度传感器，连接所述空间展开机构，用以检测所述空间展开机构在展开锁定撞击过程中的角速度；
数据采集与分析系统，连接所述六维力/力矩测量组件、所述三向加速度传感器以及所述角速度传感器，用以根据所述六维力/力矩测量组件检测得到的数据，直接解算所述空间展开机构的锁定撞击力；或者，根据所述三向加速度传感器以及所述角速度传感器检测得到的数据，间接解算所述空间展开机构的锁定撞击力。
2.根据权利要求1所述的空间展开机构锁定撞击力测试系统，其特征在于，所述六维力/力矩测量组件包括若干三向力传感器，用以检测三个方向上的力，通过三个方向的力来解算出三个方向的力矩，再通过所述数据采集与分系统获取六个方向的力元素，实现空间展开机构锁定撞击力的直接测量。
3.根据权利要求1所述的空间展开机构锁定撞击力测试系统，其特征在于，所述根据所述三向加速度传感器以及所述角速度传感器检测得到的数据，间接解算所述空间展开机构的锁定撞击力包括：
通过激振器或锤击使所述三向加速度传感器检测到加速度，再通过所述数据采集与分析系统获取所述空间展开机构的模态响应传递函数和动态响应传递函数，从而解算出锁定撞击力。
4.根据权利要求1所述的空间展开机构锁定撞击力测试系统，其特征在于，所述数据采集与分析系统根据所述角速度传感器检测得到的角速度，通过时域响应曲线对比确认所述空间展开机构的锁定撞击时刻。
5.根据权利要求1所述的空间展开机构锁定撞击力测试系统，其特征在于，还包括：
数据采集前端，连接所述六维力/力矩测量组件、所述三向加速度传感器以及所述角速度传感器，用以记录所述六维力/力矩测量组件、所述三向加速度传感器以及所述角速度传感器检测到的数据，并将所记录的数据通过TCP/IP协议传输至所述数据采集与分析系统。
6.根据权利要求1所述的空间展开机构锁定撞击力测试系统，其特征在于，所述三向加速度传感器连接于所述空间展开机构铰链机构锁定撞击点。
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