CN104335713B - 一种测量卫星质量特性的辅助设备及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量卫星质量特性的辅助设备由L梁和旋转、前端与后端支撑、配重与质心调节装置及连接圆盘组成，横梁提供安装与固定，卫星每转动一角度用圆盘锁定，两组滚子轴承构成支撑使卫星受力均匀转动灵活，丝杆的转动带动定位轴并用配重块实现质心调整。用卫星理论质心定准L梁零位，用质心测试台测量其质心，调整L梁定位轴与质心测试台轴线重合，再加配重块；测量L梁加上卫星的质心，调整L梁定位轴与卫星质心重合，再加配重块，质心配平使卫星、L梁质心和质心测试台轴线重合，即得一轴向质心，转动卫星测另两轴向质心；用惯性矩测试台和辅助设备测卫星三轴向转动惯量并计算惯性积。具有整星测量、确保安全和测量准确的特点。

Description

一种测量卫星质量特性的辅助设备及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种卫星辅助测量设备及其测量方法，更具体地说，本发明尤其涉及一种测量卫星质量特性的辅助设备及其测量方法。

背景技术

测量卫星的质量特性，包括测量卫星质量、质心和卫星相对于各坐标轴的转动惯量，并计算惯量积，是卫星研制中一项重要的工作。由于卫星整星质量分布的不均匀性，使卫星的惯性主轴与质心轴不重合，由此引起惯量积不为零值，而卫星惯量积的大小直接影响卫星姿态控制分系统的工作和卫星的寿命。卫星质量特性测量的主要目的，是测量卫星实际的质量特性，并通过增加适当的配重调整卫星的质心，提供准确的质量特性数据，以满足卫星姿态控制分系统对卫星在轨运行和运载火箭对卫星发射状态质量特性的要求。

卫星质心特性基于卫星惯性坐标系，以星箭分离面中心为坐标系原点，X轴指向卫星飞行方向，Z轴指向卫星对地方向，X、Y、Z轴构成右手系。卫星质心位置确定后，便可以在质心坐标系测量卫星相对于三个坐标轴或任意方向的转动惯量，并计算相应的惯量积。

卫星质心和转动惯量的测量，可以采用简易的三角形工装和三线摆等设备，但由于这些设备测量卫星质心带来较大的误差，使卫星转动惯量的测量也带来相应的误差。测量卫星质量特性，主要有质心测试台、惯性矩测试台以及相配套的辅助设备。采用测量卫星质量特性的辅助设备，可以对整星进行测量、保证测量时卫星的安全，并使测量数据更加准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量卫星质心和转动惯量的L梁工装辅助设备及其测量方法，为提高卫星质心和转动惯量的测量精度，实现整星一次测量，本发明采用的主要技术方案是以卫星理论的质心为基准，调整L梁工装的中心定位轴的零位，通过质心测试台对L梁工装质心的测量，调整L梁工装的质心与质心测试台的中心轴轴线重合，使L梁工装成为质心测试台的一个组成部分，实施对卫星质心的测量，通过质心测试台对卫星连同L梁工装质心的测量，调整L梁工装的中心定位轴与卫星的质心重合，并在质心测试台上进行质心配平，添加配重块，使卫星的质心、调整后的L梁工装的质心与质心测试台的中心轴轴线重合，由此测得卫星的质心；卫星质心测量后，利用M8惯性矩测试台和L梁工装测量卫星相对于三个轴向或任意角度(方向)的转动惯量，并计算卫星相应的惯量积。

为实现上述目的，本发明测量卫星质量特性的L梁工装辅助设备，由L梁工装本体、旋转装置、前端支撑装置、卫星连接圆盘、后端支撑装置、配重调节装置和质心调节装置等组成，所述L梁工装本体是测量卫星质量特性辅助设备的主体，其横梁提供卫星足够的安装与固定位置，为与L梁工装的其他装置相连接，L梁工装本体设计有预埋螺孔；所述旋转装置可360°自由转动，主轴无轴向窜动，以保证角度转动的正确性，在卫星转过一个角度后用锁定圆盘将其锁定，保证测量时卫星不下垂，确保安全；所述前端支撑装置通过连接杆和支撑杆与L梁工装本体的横梁相连接；所述卫星连接圆盘的一端与卫星连接法兰相连接，另一端通过圆盘与L梁工装本体的横梁相连接的；所述前端支撑装置和后端支撑装置的上端各安装两组双列向心球面滚子轴承组成支撑机构，起支撑卫星的作用，使卫星在测量时受力均匀，转动灵活；所述配重调节装置，则用大小不同的配重块调节质心位置和转动惯量测试时质心的状态；所述质心位置调节装置，依靠调节丝杆在转动支架中的转动，通过连接支架使调节底板带动中心定位轴沿着道轨移动，直到调节底板带动中心定位轴移动到要求的位置，用锁定螺母锁定。

本发明采用质心测试台、M8惯性矩测试台和L梁工装测量卫星质量特性的方法包括以下步骤：

(1)调整L梁工装中心定位轴的零位；

(2)测量L梁工装的质心，调整L梁工装的质心与质心测试台的中心轴轴线重合；

(3)测量卫星加上L梁工装的质心；

(4)在质心测试台进行质心配平；

(5)测量卫星另两个轴向的质心；

(6)测量卫星的质量；

(7)用M8惯性矩测试台和L梁工装测量卫星相对于三个轴向以及任意角度(方向)的转动惯量；

(8)计算卫星的惯量积。

本发明的测量卫星质量特性的L梁工装，具有重量轻、刚性好，可根据卫星质心和转动惯量测量时的要求作正、反方向任意角度的转动，由于后端支撑装置的垂直支撑杆和滚轮机构托住连接圆盘，起保护卫星的作用，保证测量时卫星不下垂，确保安全；L梁工装设计有自锁装置，可在转动任意角度后固定并进行测量，可获得准确的测量数据；由于可作任意角度的转动，在L梁工装上既可以进行质心又可以进行转动惯量测量而不必重新吊装卫星，还可对配重进行调整。L梁工装以及利用L梁工装作为质心测试台和M8惯性矩测试台测量卫星质量特性的辅助设备的测量方法，操作方便，使用安全，测量数据准确，可应用于不同的卫星。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中：

图1测量卫星质量特性的L梁工装辅助设备示意图；

图2旋转装置示意图；

图3前端支撑装置示意图；

图4质心调节装置示意图。

具体实施方式

图1为测量卫星质量特性的L梁工装辅助设备示意图，由L梁工装本体1、旋转装置2、前端支撑装置3、卫星连接圆盘4、后端支撑装置5、配重调节装置6和质心调节装置7等组成，L梁工装本体1长4.65m、高2.15m、宽0.60m，呈“L”型，如把后端支撑装置5连起来，则呈“U”型，所以也称U型梁工装。测量卫星质心和转动惯量时，正好将卫星安装在U型梁工装的凹槽内，该工装的结构设计保证测量时卫星的安全。L梁工装本体1采用壁厚10mm的铸造铝合金ZALSi9Mg(GB/T1173-1995)整体铸造而成，在保证结构强度和刚度的前提下，重量只为钢结构的1/3。为保证L梁工装的中心定位轴调整质心的精度，L梁工装旋转主轴的安装孔采用大型的加工精度高的设备进行加工，保证旋转主轴的安装孔与位于L梁工装底部的滑动导轨轴线的平行度≤0.02mm，端面垂直度≤0.015mm，滑动导轨的平行度为0.008mm。

图2为旋转装置2示意图，由主轴16、单向推力球轴承12和19、单向圆锥滚珠轴承14、调整垫片(I)15、涡轮9、调节螺母8、涡杆17、锁紧螺母10、刻度盘11、连接板13、调整垫片(II)18和连接法兰20等组成，其中1为L梁工装本体。旋转装置2与L梁工装本体1的横梁相连接。旋转装置2可360°转动，采用单头涡轮涡杆装置，在涡轮9和涡杆17处还设置一个锁定圆盘装置，当卫星转动一个角度后由锁定机构将其锁定，由于涡轮涡杆具有自锁功能，保证在测量卫星质心和转动惯量时转动角度的准确性；旋转装置2还设置一对单列圆锥滚珠轴承14，采用“背靠背”的安装方式，并在其两端各安装一个轴向推力球轴承12和19，在主轴16的两端采用调整垫片(I)15和(II)18调整其间隙，使主轴轴向无窜动。经垫片调整，主轴轴向有0.01～0.02mm的过盈量；另外，在卫星转动一个角度后，由锁定圆盘装置的锁定机构将其锁定，保证在测量时卫星不会下垂发生碰撞事故，以保证测量时卫星的安全。

图3为前端支撑装置3示意图，由双列向心球面滚子轴承22、轴承销轴23、滑轮支座24、调节螺杆25、锁紧螺母26、支撑杆27、连接杆28、支撑圆环21和支撑座29等组成。前端支撑装置3通过连接杆28和支撑杆26与L梁工装本体的横梁连接，并通过由双列向心球面滚子轴承22和其他支撑杆组成的机构托住支撑圆环21，该支撑圆环21能借助双列向心球面滚子轴承22的滚动而自如转动。

所述卫星连接圆盘4的一端通过48个M6×30的螺栓与卫星的连接法兰20连接，另一端采用24个M10×35的螺栓与螺母与L梁工装本体1的横梁连接。

后端支撑装置5的结构与前端支撑装置3相类似，包括双列向心球面滚子轴承、垂直支撑杆和滚轮机构等组件。后端支撑装置5通过垂直支撑杆与L梁工装本体的横梁连接，并通过滚轮机构托住后端连接圆盘。由于前端支撑装置3和后端支撑装置5的上端各安装两组双列向心球面滚子轴承组成可活动的支撑机构，起支撑卫星的作用，使卫星在质量特性测试时受力均匀，转动灵活。后端支撑装置通过滚轮机构托住后端连接圆盘，在进行卫星质量特性测试时，滚轮机构不仅减少卫星转动时的阻力，还保证不发生卫星下垂事故，确保安全。

所述配重调节装置6，由于整星质量分布的不均匀，卫星实际的质心往往比理论质心有一定偏差。为此，在测量卫星质量特性时，采用大小不同的配重块调整卫星的质心，以满足要求。

图4为质心调节装置7示意图，由调节底板33、调节丝杆36、标尺34、连接支架35、转动支架38、辅助支架37、中心定位轴31、锁定螺母30和连接圆盘32等组成。转动调节丝杆36，通过连接支架35可使调节底板33沿着L梁工装本体1横梁底部的道轨移动，直到把调节底板33移动到要求的位置，然后通过锁定螺母30将其锁定。质心调节装置7的中心定位轴31以卫星的理论质心为轴线的零位，卫星实际的质心往往与理论的质心是不一致的，所以要对卫星质心的零位进行调整。质心调节装置7可在设置的L梁工装本体1横梁底部的两根导轨上左右移动，移动距离为±150mm，从而达到质心调整的目的。

用质心测试台、M8惯性矩测试台和L梁工装测量卫星质心和转动惯量的具体测量方法包括如下步骤：

(1)调整L梁工装中心定位轴的零位。将L梁工装的质心调节装置7的中心定位轴31调节到卫星所测轴向的理论质心位置，即以卫星所测轴向的理论质心为基准调整L梁工装质心调节装置中心定位轴的零位。

(2)用质心测试台测量L梁工装的质心，记录L梁工装与卫星所测轴向理论质心的误差，以质心测试台测得的L梁工装与卫星所测轴向理论质心的误差，调整L梁工装的中心定位轴与质心测试台的中心轴轴线重合，并在L梁工装本体横梁末尾的适当位置添加配重块，使L梁工装的质心与质心测试台的中心轴轴线重合，即修正L梁工装的质心与卫星所测轴向理论质心的误差，使L梁工装与质心测试台组成为一体，实施对卫星质心的测量。

(3)用质心测试台测量卫星所测轴向加上L梁工装的质心。先撤除L梁工装的配重块和后端支撑装置5，将卫星安装到L梁工装上，再重新安装后端支撑装置5和配重块，从质心测试台测得的卫星所测轴向加上L梁工装的质心，可以看出卫星实际的质心与卫星理论的质心是不一致的，即L梁工装的中心定位轴31与卫星所测轴向的实际质心是不重合的，记录质心测试台的测量值，计算卫星所测轴向的质心值与卫星理论的质心值的误差。

(4)在质心测试台进行质心配平，根据质心测试台测得的卫星所测轴向实际的质心与卫星理论的质心的位置差，调整L梁工装的中心定位轴31，使L梁工装的中心定位轴与卫星所测轴向实际的质心重合；根据质心测试台测得的量值，调整L梁工装的配重调节装置6，并在L梁工装横梁末尾的适当位置加上配重块，使卫星所测轴向的质心、调整后L梁工装的质心和质心测试台的中心轴轴线重合，即由质心测试台测得卫星一个轴向的质心。

(5)测量卫星一个轴向质心后，利用L梁工装的旋转装置2将卫星翻转+90°或-90°，用同样的测量方法测量卫星另两个轴向的质心，先调整L梁工装的中心定位轴31与卫星被测轴向的质心重合，然后在质心测试台上进行质心配平，即在L梁工装横梁末尾的适当位置加上配重块，使卫星被测轴向的质心、调整后的L梁工装的质心和质心测试台的中心轴轴线重合，便测得卫星另两个轴向的质心。

(6)卫星质量的测量，卫星的质量可近似地看作是一个不变的量，它包括卫星本体质量、卫星包带机构的质量、星箭对接段和星箭电缆的质量等，卫星本体的质量在测量卫星任意两个轴向质心的同时便可得到。

(7)卫星质心测量后，不必吊装卫星，利用M8惯性矩测试台和L梁工装测量卫星相对于三个轴向以及任意角度(方向)的转动惯量，先测量L梁工装和卫星合在一起相对于三个轴向以及任意角度(方向)的转动惯量；之后撤除配重块，将L梁工装翻转+90°，撤除L梁工装后端支撑装置5，吊下卫星，将L梁工装翻转-90°，重新安装后端支撑装置5和配重块，测量L梁工装相对于三个轴向以及任意角度(方向)的转动惯量，去除L梁工装的转动惯量，经计算便可得到卫星相对于三个轴向以及任意角度(方向)的转动惯量。

(8)根据卫星在质心坐标系测得的相对于三个轴向以及任意角度(方向)的转动惯量，通过计算可以得到卫星相应的惯性积。

Claims (8)

1. 一种测量卫星质量特性的辅助设备，由L梁工装本体[1]、旋转装置[2]、前端支撑装置[3]、卫星连接圆盘[4]、后端支撑装置[5]、配重调节装置[6]和质心调节装置[7]组成，其特征在于：所述L梁工装本体[1]是本辅助设备的主体；其横梁提供卫星足够的安装和固定位置；所述旋转装置[2]使安装在L梁工装本体[1]上的卫星可以360°自由转动；所述前端支撑装置[3]通过连接杆和支撑杆与L梁工装本体[1]的横梁相连接；所述卫星连接圆盘[4]的一端与卫星连接法兰相连接，另一端通过圆盘与L梁工装本体[1]的横梁相连接的；所述前端支撑装置[3]和后端支撑装置[5]的上端各安装两组双列向心球面滚子轴承组成支撑机构，起支撑卫星的作用；所述配重和质心调节装置[7]，在设置的L梁工装本体[1]横梁底部的两根导轨上左右移动，移动距离为±150mm，包括调节底板[33]、调节丝杆[36]、标尺[34]、连接支架[35]、转动支架[38]、辅助支架[37]、中心定位轴[31]、锁定螺母[30]和连接圆盘[32]组成；转动调节丝杠36，通过连接支架[35]可使调节底板[33]沿着L梁工装本体[1]横梁底部的导轨移动，直到把调节底板[33]移动到要求的位置，然后通过锁定螺母[30]将其锁定。

2.根据权利要求1所述的一种测量卫星质量特性的辅助设备，其特征在于：所述L梁工装本体[1]长4.65m、高2.15m、宽0.6m，采用壁厚10mm，代号为ZALSi9Mg的铸造铝合金整体铸造而成，其旋转主轴[16]的安装孔与案装在LL梁工装本体[1]底部滑动导轨轴线的平行度小于0.02mm，端面垂直度小于0.015mm。

3.根据权利要求1所述的一种测量卫星质量特性的辅助设备， 其特征在于：所述旋转装置[2]在涡轮蜗杆处设置有锁定圆盘装置，利用涡轮蜗杆的自锁功能，当卫星转过一个角度后将其锁定，且在主轴[16]的两端采用垫片调整，使主轴[16]轴向无窜动，主轴[16]轴向有0.01～0.02mm的过盈量，不仅保证测量时角度转动的准确性，还保证卫星不下垂，确保安全。

4.一种利用质心测试台、M8惯性矩测试台和L梁工装本体[1]测量卫星质量特性的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)调整L梁工装本体[1]中心定位轴的零位；

(2)测量L梁工装本体[1]的质心，调整L梁工装本体[1]的质心与质心测试台的中心轴轴线重合；

(3)测量卫星加上L梁工装本体[1]的质心；

(4)在质心测试台进行质心配平；

(5)测量卫星另两个轴向的质心；

(6)测量卫星的质量；

(7)用M8惯性矩测试台和L梁工装本体[1]测量卫星相对于三个轴向以及任意角度的转动惯量

(8)计算卫星的惯量积。

5.根据权利要求4所述的测量卫星质量特性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的调整L梁工装本体[1]中心定位轴的零位，是将L梁工装本体[1]的中心定位轴调节到卫星所测轴向的理论质心位置，即用卫星所测轴向的理论质心为基准调节L梁工装本体[1]中心定位轴的零位。

6.根据权利要求4所述的测量卫星质量特性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的调整L梁工装本体[1]的质心，以L梁工装本体[1]的质心与卫星所测轴向的理论质心的位置误差，调整L梁工装本体[1]的中心定位轴与质心测量台的中心轴轴线重合，并添加配重块，使调整后的L梁工装本体[1]的质心与质心测试台的中心轴轴线重合。

7.根据权利要求4所述的测量卫星质量特性的方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中的质心配平，用质心测试台测量卫星所测轴向加上L梁工装本体[1]的质心，以卫星所测轴向的质心和卫星理论质心的位置差，调整L梁工装本体[1]的中心定位轴与卫星所测轴向的质心重合，并在L梁工装本体[1]的横梁的适当位置加上配重块，使卫星所测轴向的质心、调整后的L梁工装本体[1]的质心和质心测试台的中心轴轴线重合，即由质心测试台测得卫星一个轴向的质心。

8.根据权利要求4所述的测量卫星质量特性的方法，其特征在于：所述步骤(7)利用M8惯性矩测试台和L梁工装本体[1]测量卫星相对于三个轴向以及任意角度的转动惯量，先测量卫星连同L梁工装本体[1]一起相对于三个轴向以及任意角度的转动惯量，然后测量L梁工装本体[1]相对于三个轴向以及任意角度的转动惯量，去除L梁工装本体[1]的转动惯量，便可得到卫星相对于三个轴向以及任意角度的转动惯量。