CN105203259A - 飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置及方法，装置包括基座、气浮轴承副、实验台面、两个桁架、台下挂舱和桁架惯量调整模块，实验台面安装在气浮轴承副上，桁架安装在实验台面两侧，台下挂舱安装在实验台面的下面，桁架惯量调整模块安装在桁架上；两个桁架对称安装在实验台面的两侧。方法是：粗调整，采用理论计算的方式，在计算机设计模型上进行惯量的预分配，选择或更换适当规格的配重块并安装在桁架惯量调整模块上；装配重块时，需在桁架两端圆盘处成对安装；测量系统的转动惯量；根据计算的转动惯量和预期设定值进行比较，并在桁架两端圆盘处成对增减质量块。本发明适用于气浮台转动惯量的测量，原理简单，便于安装维护。

Description

飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术，具体涉及一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置及方法。

背景技术

空间飞行器全物理地面仿真试验对于飞行器的研制具有重要的意义，其核心设备是基于气浮球轴承构建的气浮仿真系统，在仿真设计中需要对系统的惯量特性进行测量和调整，使之满足设计要求，因此针对飞行器模拟气浮转台转动惯量的测量与调整方法的研究具有重要的意义。

经检索文献发现，李季苏、牟小刚等在论文“大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统”(见《控制工程》，2001年，第3期，页码22-26)中介绍了一种大型卫星三轴气浮台全物理仿真系统的组成、技术指标和用途等。

中国发明专利申请号：CN201410484621.1，专利名称为“一种在线测量回转体转动惯量的方法及装置”，将待测回转体与测量设备相连，通过安装不同的标准惯量盘，时间同步系统控制执行落体实验，数据采集系统记录位移数据，从而获得被测回转体的转动惯量，但该方法不适用于气浮台转动惯量的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置及方法，原理简单、工程上易于实现、便于维护。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置，包括基座、气浮轴承副、实验台面、两个桁架、台下挂舱和桁架惯量调整模块；气浮轴承副安装在基座上，实验台面安装在气浮轴承副上，桁架安装在实验台面两侧，台下挂舱安装在实验台面的下面，桁架惯量调整模块安装在桁架上；所述的两个桁架对称安装在实验台面的两侧。

本发明还具有如下技术特征：

采用如上所述的飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置得出的一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量方法，步骤为：

第一步：粗调整，采用理论计算的方式，在计算机设计模型上进行惯量的预分配，选择或更换适当规格的配重块并安装在桁架惯量调整模块上；装配重块时，需在桁架两端圆盘处成对安装；

第二步：在设备安装好之后，测量系统的转动惯量：

将台体浮起并经过水平调整后，采用飞轮驱动，使气浮台产生一个角加速度α₁，则飞轮对气浮台施加的推力矩M为：

M＝Jα₁(1)

若气浮台受力时间为Δt，则式(1)改写成

JΔω₁＝MΔt(2)

式中：J——气浮台转动惯量；

Δω₁——气浮台在M的作用下，角速度的增量；

由于推力矩M未知，为求转动惯量J的值，还需在气浮台上附加已知质量，附加质量对气浮台的附加转动惯量也是已知的，该附加质量由配重块代表，再进行上述测试，由此得式(3)

(J+ΔJ)Δω₂＝MΔt(3)

式中：ΔJ——已知附加的转动惯量；

Δω₂——气浮台有附加质量时在M的作用下，角速度的增量；

两次测试中M、Δt保持不变，联合(2)-(3)式，得：

JΔω₁＝(J+ΔJ)Δω₂(4)

则有

$J=\frac{{\mathrm{\ΔJ\Δ\ω}}_2}{{\mathrm{\Δ\ω}}_1-{\mathrm{\Δ\ω}}_2}---\left(5\right)$

由于ΔJ已知，两次测试中的角速度增量Δω₁、Δω₂通过测量得到，即为两次测量时最大角速度，则由(5)式求出气浮台的转动惯量。

第三步：根据计算的转动惯量和预期设定值进行比较，并在桁架两端圆盘处成对增减质量块。

本发明的优点和特点：

本发明适用于气浮台转动惯量的测量，原理简单，采用在实验台两侧挂装桁架的方式，便于安装维护，工程上易于实现。

附图说明

图1是飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置的侧视图；

图2是飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1

结合图1-2，一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置，包括基座1、气浮轴承副2、实验台面3、两个桁架4、台下挂舱5和桁架惯量调整模块6；气浮轴承副2安装在基座1上，实验台面3安装在气浮轴承副2上，桁架4安装在实验台面3两侧，台下挂舱5安装在实验台面3的下面，桁架惯量调整模块6安装在桁架4上。基座1为整个系统的承载基础，实验台面3是试验载荷的安装区域，预留了各种安装支架的安装基准和固定螺孔，台下挂舱5可以安放电池、工控机及变压器等电气配套装置，也可以用来增减质量块进行惯量调整，两个桁架4对称安装在实验台面3的两侧，这种结构设计原理简单、加工运输拆卸方便；桁架4上设计有安装面，可以安装没有安装精度要求的设备；安装在桁架4上的桁架惯量调整模块6可以安装不同质量的配重块，配重块的安装位置可以前后调整，从而提高转动惯量调整的灵活性，实现不同惯量的调整。

实施例2

采用如实施例1所述的的飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置得出的一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量方法，步骤为：

第一步：粗调整，采用理论计算的方式，在计算机设计模型上进行惯量的预分配，选择或更换适当规格的配重块并安装在桁架惯量调整模块上；装配重块时，需在桁架两端圆盘处成对安装；

第二步：在设备安装好之后，测量系统的转动惯量：

将台体浮起并经过水平调整后，采用飞轮驱动，使气浮台产生一个角加速度α₁，则飞轮对气浮台施加的推力矩M为：

M＝Jα₁(1)

若气浮台受力时间为Δt，则式(1)改写成

JΔω₁＝MΔt(2)

式中：J——气浮台转动惯量；

Δω₁——气浮台在M的作用下，角速度的增量；

由于推力矩M未知，为求转动惯量J的值，还需在气浮台上附加已知质量，附加质量对气浮台的附加转动惯量也是已知的，该附加质量由配重块代表，再进行上述测试，由此得式(3)

(J+ΔJ)Δω₂＝MΔt(3)

式中：ΔJ——已知附加的转动惯量；

Δω₂——气浮台有附加质量时在M的作用下，角速度的增量；

两次测试中M、Δt保持不变，联合(2)-(3)式，得：

JΔω₁＝(J+ΔJ)Δω₂(4)

则有

$J=\frac{{\mathrm{\ΔJ\Δ\ω}}_2}{{\mathrm{\Δ\ω}}_1-{\mathrm{\Δ\ω}}_2}---\left(5\right)$

由于ΔJ已知，两次测试中的角速度增量Δω₁、Δω₂通过测量得到，即为两次测量时最大角速度，则由(5)式求出气浮台的转动惯量；

第三步：根据计算的转动惯量和预期设定值进行比较，并在桁架两端圆盘处成对增减质量块。

实施例3

下面举例说明转动惯量的调整和测量调整方法：

假定理论计算出气浮台的转动惯量J＝8000kgm²，当附加质量的转动惯量ΔJ＝100kgm²，飞轮提供的驱动可以使气浮台在没有附加质量时的角速度达到0.525°/s，其作用时间Δt为1s，求出Δω₁，并由(5)式可以求得Δω₂。则有：

Δω₁＝0.525°/s；Δω₂＝0.5185°/s

测量时，取飞轮作用力撤销后的30s内气浮台走过的角度，求出：

S₁＝15.75°；S₂＝15.555°

其中，S₁和S₂分别是理想情况下30s内在角速度增量Δω₁和Δω₂情况下气浮台走过的角度。

光栅测量的位置误差为3角秒，则系统误差6角秒，可知S₁和S₂的实际值为：

S₁＝15.7483°～15.7517°；S₂＝15.5533°～15.5567°

由此可推出：

Δω₁＝0.5249～0.5251°/s；Δω₂＝0.5184～0.5186°/s。

由(5)式可以计算出J＝7737～8231kgm²，最大误差为3.29％。

当ΔJ＝1000kgm²时，上述测量条件不变，则Δω₂＝0.4666～0.4668°/s。J＝7976～8034kgm²，最大误差为0.425％。

当ΔJ＝4000kgm²时，上述测量条件不变，则Δω₂＝0.3499～0.3501°/s。J＝7989～8011kgm²，最大误差为0.1375％。

当气浮台转动惯量J＝4000kgm²，附加转动惯量ΔJ＝100kgm²时，飞轮的驱动可使气浮台在没有附加质量时的角速度达到1.05°/s，其作用时间Δt为1s，求出Δω₁，并由(5)式可以求得Δω₂。则有：

Δω₁＝1.05°/s；Δω₂＝1.0244°/s

测量时，取飞轮作用力撤销后的30s内气浮台走过的角度，则有：

S₁＝31.5°；S₂＝30.732°

光栅测量的位置误差为3角秒，系统误差6角秒，则实际上有：

S₁＝31.4983°～31.5017°；S₂＝30.7303°～30.7337°

则

Δω₁＝1.0499～1.0501°/s；Δω₂＝1.0243～1.0245°/s

由(5)式可以得出J＝3970～4033kgm²，则最大误差为0.825％。

当ΔJ＝1000kgm²时，上述测量条件不变，则Δω₂＝0.8399～0.8401°/s。J＝3996～4004kgm²，最大误差为0.1％。

当ΔJ＝4000kgm²时，上述测量条件不变，则Δω₂＝0.5249～0.5251°/s。J＝3998～4002kgm²，最大误差为0.05％。

表1给出系统8000kgm²、4000kgm²转动惯量下，添加附加质量块的转动惯量100kgm²、1000kgm²、4000kgm²下误差情况。

表1转动惯量测量误差表

根据误差分析，附加质量的转动惯量越接近实际转动惯量，误差越小，因此试验时需要综合气浮台的承载能力及试验过程中实际的转动惯量需求，选取合理的配重块。

Claims (2)

1.一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置，包括基座(1)、气浮轴承副(2)、实验台面(3)、两个桁架(4)、台下挂舱(5)和桁架惯量调整模块(6)；其特征在于：气浮轴承副(2)安装在基座(1)上，实验台面(3)安装在气浮轴承副(2)上，桁架(4)安装在实验台面(3)两侧，台下挂舱(5)安装在实验台面(3)的下面，桁架惯量调整模块(6)安装在桁架(4)上；所述的两个桁架(4)对称安装在实验台面(3)的两侧。

2.采用如权利要求1所述的一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量装置得出的一种飞行器模拟气浮台惯量调节与测量方法，其特征在于，步骤为：

第一步：粗调整，采用理论计算的方式，在计算机设计模型上进行惯量的预分配，选择或更换适当规格的配重块并安装在桁架惯量调整模块上；装配重块时，需在桁架两端圆盘处成对安装；

第二步：在设备安装好之后，测量系统的转动惯量：

将台体浮起并经过水平调整后，采用飞轮驱动，使气浮台产生一个角加速度α₁，则飞轮对气浮台施加的推力矩M为：

M＝Jα₁(1)

若气浮台受力时间为Δt，则式(1)改写成

JΔω₁＝MΔt(2)

式中：J——气浮台转动惯量；

Δω₁——气浮台在M的作用下，角速度的增量；

由于推力矩M未知，为求转动惯量J的值，还需在气浮台上附加已知质量，附加质量对气浮台的附加转动惯量也是已知的，该附加质量由配重块代表，再进行上述测试，由此得式(3)

(J+ΔJ)Δω₂＝MΔt(3)

式中：ΔJ——已知附加的转动惯量；

Δω₂——气浮台有附加质量时在M的作用下，角速度的增量；

两次测试中M、Δt保持不变，联合(2)-(3)式，得：

JΔω₁＝(J+ΔJ)Δω₂(4)则有

$J=\frac{{\mathrm{\ΔJ\Δ\ω}}_2}{{\mathrm{\Δ\ω}}_1-{\mathrm{\Δ\ω}}_2}---\left(5\right)$

由于ΔJ已知，两次测试中的角速度增量Δω₂、Δω₂通过测量得到，即为两次测量时最大角速度，则由(5)式求出气浮台的转动惯量；

第三步：根据计算的转动惯量和预期设定值进行比较，并在桁架两端圆盘处成对增减质量块。