CN104931180B - 一种六自由度气浮台干扰力矩确定方法 - Google Patents

一种六自由度气浮台干扰力矩确定方法 Download PDF

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Abstract

一种六自由度气浮台干扰力矩确定方法，用于月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器和上升器模拟装置的惯量特性和干扰力矩的测量，该发明首次提出了六自由度气浮台各向干扰力矩测量方法。本发明通过改进现有的转动惯量测量装置、缩短了转动惯量测量时间，结合成熟的姿态角度测量手段，建立了完整的干扰力矩测量方法。本发明利用气浮球轴承的本质特性、通过实际测量数据迭代解算，不但可以精确测量系统的转动惯量，而且可以提高航天器地面动力学模拟的精度。

Description

一种六自由度气浮台干扰力矩确定方法
技术领域
本发明涉及一种六自由度气浮台干扰力矩确定方法，属于空间飞行器地面全物理仿真领域。
背景技术
六自由度气浮台是月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验的核心设备，采用等比方式模拟了轨道器的质量和惯量特性，具有三个转动自由度和三个平动自由度，三个转动自由度采用高精密气浮球轴承实现，由于加工和安装精度的制约，存在一定的干扰力矩，干扰力矩是制约试验性能的重要因素。长期以来缺乏能够比较准确测量数据的手段。
发明内容
本发明的技术解决问题为：克服现有技术的不足，提供了一种新型的六自由度气浮台干扰力矩确定方法，用于月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器和上升器模拟装置的惯量特性和干扰力矩的测量，该发明首次提出了六自由度气浮台各向干扰力矩测量方法。
本发明采用的技术方案为：
一种新型的六自由度气浮台干扰力矩确定方法，步骤如下：
(1)将弹簧振子固连于六自由度气浮台所测轴线方向的法向平面内，令弹簧振子带着六自由度气浮台做往复运动，当气浮台的摆动角度在10度以内时，记下气浮台所测轴向的摆动角度和时间的关系，并确定出摆动周期的T1大小；
(2)根据步骤(1)确定的摆动周期，通过公式确定气浮台所测轴向的转动惯量J，其中，K为弹簧振子的弹性系数；
(3)去掉弹簧振子，令六自由度气浮台的质心在转动中心下方，通过公式计算六自由度气浮台的复摆周期T2，其中，h为气浮台质心相对转动中心的偏心距；m为气浮台的质量，g为重力加速度；
(4)通过公式计算六自由度气浮台的干扰力矩M，其中，θ1为气浮台在测量轴向上存在的干扰力矩作用下做复摆运动存在的偏转角，θ2为将气浮台绕含测量轴平面法向方向旋转180度后，气浮台在干扰力矩作用下做复摆运动存在的偏转角；
(5)按照步骤(1)～(4)计算六自由度气浮台其他方向上的干扰力矩
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明深入研究六自由度气浮台干扰力矩的特性，给出了六自由度气浮台转动惯量、往复运动周期、倾斜角大小测量步骤和干扰力矩计算公式，为全物理仿真试验的可信度提供了保证。
(2)本发明提出的测量方法思路清晰、概念明确，只要按照测量装置、测量流程及计算方法，本发明使用的装置和算法制作简单，使用方便，可以快速完成对六自由度气浮台的干扰力矩的测量。
附图说明
图1本发明方法流程图。
具体实施方式
本测量方法通过测量气浮球轴承速度和系统惯量的原理，能够比较准确的测量气浮球轴承的干扰力矩。本发明通过改进现有的转动惯量测量装置、缩短了转动惯量测量时间，结合成熟的姿态角度测量手段，建立了完整的干扰力矩测量方法。该系统利用气浮球轴承的本质特性、通过实际测量数据迭代解算，不但可以精确测量系统的转动惯量，而且可以提高航天器地面动力学模拟的精度。
如图1所示，本发明提供的一种新型的六自由度气浮台干扰力矩确定方法，步骤如下：
(1)将弹簧振子固连于六自由度气浮台所测轴线方向的法向平面内，令弹簧振子带着六自由度气浮台做往复运动，当气浮台的摆动角度在10度以内时，记下气浮台所测轴向的摆动角度和时间的关系，并确定出摆动周期的T1大小；
(2)根据步骤(1)确定的摆动周期，由于六自由度气浮台干扰力矩的测量首先需要测量六自由度气浮台转动的转动惯量，其转动惯量的测量方法通过弹簧振子固连于所测轴线方向的法向平面内，在忽略空气阻力的条件下，转动惯量与其振动的周期为
通过上式确定气浮台所测轴向的转动惯量J，其中，K为弹簧振子的弹性系数；
(3)去掉弹簧振子，令六自由度气浮台的质心在转动中心下方，其在静止状态下姿态平台的倾角变化在±1.5度以内，可以默认姿态平台在做复摆运动，其周期T为
其中：J为测量轴的转动惯量；
h为质心相对回转中心的偏心距；
m为姿态平台的质量。
通过公式计算六自由度气浮台的复摆周期T2，其中，h为气浮台质心相对转动中心的偏心距；m为气浮台的质量，g为重力加速度；
(4)当测量轴向上存在干扰力矩M时，姿态平台在干扰力矩作用下复摆运动存在一定的偏转角θ1，将姿态平台绕含测量轴平面法向方向旋转180度，则姿态平台在干扰力矩作用下复摆运动存在一定的偏转角θ2，当气浮台平衡时有
将式(2)代入式(1)可知干扰力矩的计算公式为
通过公式计算六自由度气浮台的干扰力矩M，其中，θ1为气浮台在测量轴向上存在的干扰力矩作用下做复摆运动存在的偏转角，θ2为将气浮台绕含测量轴平面法向方向旋转180度后，气浮台在干扰力矩作用下做复摆运动存在的偏转角；
(5)按照步骤(1)～(4)计算六自由度气浮台其他方向上的干扰力矩。
本发明提出的六自由度气浮台干扰力矩测量方法，用于月球弱撞击交会对接地面全物理仿真试验中轨道器和上升器模拟装置的惯量特性和干扰力矩测量。通过改进现有的转动惯量测量装置、缩短了转动惯量测量时间，结合成熟的姿态角度测量手段，建立了完整的干扰力矩测量方法。本发明利用气浮球轴承的本质特性、给出了六自由度气浮台转动惯量、往复运动周期、倾斜角大小测量步骤和干扰力矩计算公式，提出的测量方法思路清晰、概念明确，只要按照测量装置、测量流程及计算方法，可以快速完成对六自由度气浮台的干扰力矩的测量，为全物理仿真试验中航天器动力学特性模拟的可信度提供了保证。

Claims (2)

1.一种六自由度气浮台干扰力矩确定方法，其特征在于步骤如下：
(1)将弹簧振子固连于六自由度气浮台所测轴线方向的法向平面内，令弹簧振子带着六自由度气浮台做往复运动，当气浮台的摆动角度在10度以内时，记下气浮台所测轴向的摆动角度和时间的关系，并确定出摆动周期的T1大小；
(2)根据步骤(1)确定的摆动周期，确定气浮台所测轴向的转动惯量J；
计算转动惯量J具体为：通过公式确定气浮台所测轴向的转动惯量J，其中，K为弹簧振子的弹性系数；
(3)去掉弹簧振子，令六自由度气浮台的质心在转动中心下方，计算六自由度气浮台的复摆周期T2；
计算六自由度气浮台的复摆周期T2具体为：通过公式计算六自由度气浮台的复摆周期T2，其中，h为气浮台质心相对转动中心的偏心距；m为气浮台的质量，g为重力加速度；
(4)计算六自由度气浮台的干扰力矩M；
(5)循环步骤(1)～(4)计算六自由度气浮台其他方向上的干扰力矩。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度气浮台干扰力矩确定方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算六自由度气浮台的干扰力矩M具体为：
通过公式计算六自由度气浮台的干扰力矩M，其中，θ1为气浮台在测量轴向上存在的干扰力矩作用下做复摆运动存在的偏转角，θ2为将气浮台绕含测量轴平面法向方向旋转180度后，气浮台在干扰力矩作用下做复摆运动存在的偏转角。
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