CN105806559A - 一种卫星的转动惯量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星的转动惯量测量装置及方法，其原理基于扭摆法和复摆法，涉及转动惯量测量技术领域。所述装置包括机体、安装在机体顶部的旋转预扭机构以及安装在旋转预扭机构顶部的工作台，旋转预扭机构包括底端固定在机体上且顶端固定在工作台上的扭杆，工作台上安装有固定支撑架，固定支撑架上通过旋转轴组件转动的安装有摆动机构，摆动机构上安装有可转动的支撑回转装置，卫星安装在支撑回转装置上后，工作台和摆动机构在扭杆的回复力作用下做Y向往复摆动周期运动，摆动机构在拉簧的弹性回复力及自身重力作用下做X/Z向的往复摆动周期运动，测量Y向和X/Z向的摆动周期即可计算获得卫星在三个方向上的转动惯量，测量方便快捷。

Description

一种卫星的转动惯量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及转动惯量测量技术领域，特别涉及一种卫星的转动惯量测量装置及方法。

背景技术

对卫星进行转动惯量的测量，使其满足运载及姿控的要求。而卫星通常是单一面与花盆类结构零件相连接，而其他几个面均无对接接口，故对其其余两个方向的转动惯量进行测量时，需要通过特殊工装来实现其姿态的转化(翻身)，后进行吊装，安装于L型支架进行测试。

可见，采用现有的测试装置，不能实现一次装夹，三个方向转动惯量的同时测量。而且采用上述测试装置，需要在多种设备上进行反复吊装，容易引起安全隐患，也导致测试周期加长，测试成本变高。

发明内容

本发明实施例提供了一种，用以解决现有技术中存在的问题。

一种卫星的转动惯量测量装置，包括机体、旋转预扭机构和工作台，所述旋转预扭机构包括扭杆，所述扭杆一端固定在所述机体顶部，另一端固定在所述工作台底部，所述工作台上垂直固定有固定支撑架，所述固定支撑架通过旋转轴组件转动的连接有摆动机构，所述摆动结构包括连接所述旋转轴组件的摆动支架以及固定在所述摆动支架上水平设置的安装平台，所述安装平台上安装有可在水平方向上转动的支撑回转装置，所述支撑回转装置上安装有用于锁止所述支撑回转装置的止动固定装置，所述摆动支架顶部安装有水平设置的摆动长杆，所述摆动长杆两端均安装有拉簧，所述拉簧通过拉簧座连接在所述工作台上，所述机体和工作台之间安装有用于锁止所述工作台的第一锁紧装置以及用于测量所述工作台的摆动周期的第一周期测量装置，所述工作台和摆动机构之间安装有用于锁止所述摆动机构的第二锁紧装置以及用于测量所述摆动机构的摆动周期的第二周期测量装置。

优选地，所述旋转预扭机构包括支撑支座以及安装在所述支撑支座底部用于固定所述扭杆的扭杆底座，所述扭杆一端固定在所述扭杆底座中，另一端从所述支撑支座内部穿过并从顶部露出，所述支撑支座内部安装有空心旋转轴，所述空心旋转轴底端通过推力轴承可转动的套接在所述扭杆底座的内侧壁上，所述空心旋转轴顶部固定连接有安装盘，所述安装盘顶部安装有连接盘，所述扭杆顶端通过销轴固定在所述连接盘内部，所述工作台固定在所述安装盘和连接盘顶部。

优选地，所述支撑支座内部设有隔套，所述隔套上设有多组深沟球轴承，所述深沟球轴承位于所述支撑支座的内侧壁和所述空心旋转轴的外侧壁之间。

优选地，所述机体上安装有第一旋转预扭驱动装置，所述第一旋转预扭驱动装置包括安装在所述机体上的第一减速电机，所述第一减速电机的驱动轴上安装有第一预扭盘，所述工作台底部固定有与所述第一预扭盘位置对应的第一拨动挡块。

优选地，所述固定支撑架上安装有第二旋转预扭驱动装置，所述第二旋转预扭驱动装置包括安装在所述固定支撑架上的第二减速电机，所述第二减速电机的驱动轴上安装有第二预扭盘，所述摆动支架侧面固定有与所述第二预扭盘位置对应的第二拨动挡块。

优选地，所述安装平台上固定有连接平板，所述支撑回转装置包括交叉滚子轴承和花盆，所述交叉滚子轴承安装在所述连接平板顶部，所述花盆安装在所述交叉滚子轴承顶部，所述止动固定装置安装在所述花盆和连接平板之间。

本发明还提供了一种使用卫星的转动惯量测量装置的测量方法，包括：

操作第一锁紧装置处于松开状态，第二锁紧装置处于锁紧状态，控制工作台及摆动机构转动一定角度，所述工作台和摆动机构在扭杆的回复力作用下作Y向往复摆动周期运动，由第一周期测量装置测量其未安装卫星时的Y向摆动周期T_0y；

操作所述第一锁紧装置处于锁紧状态，所述第二锁紧装置处于松开状态，控制所述摆动机构转动一定角度，所述摆动机构在拉簧的弹性回复力及自身重力作用下作X/Z向往复摆动周期运动，由第二周期测量装置测量其未安装卫星时的X/Z向摆动周期T₀；

操作所述第一锁紧装置处于松开状态，所述第二锁紧装置处于锁紧状态，将卫星安装于所述摆动机构上，使所述卫星的X向与旋转轴组件的轴向一致，控制所述工作台及摆动机构转动一定角度，所述工作台和摆动机构在所述扭杆的回复力作用下作Y向往复摆动周期运动，由所述第一周期测量装置测量其安装卫星时的Y向摆动周期T_y；

操作所述第一锁紧装置处于锁紧状态，所述第二锁紧装置处于松开状态，控制所述摆动机构转动一定角度，所述摆动机构在所述拉簧的弹性回复力及自身重力作用下作X向往复摆动周期运动，由所述第二周期测量装置测量其安装卫星时的X向摆动周期T_x；

操作支撑回转装置使所述卫星的Z向与所述旋转轴组件的轴向一致，锁紧止动固定装置，控制所述摆动机构转动一定角度，所述摆动机构在所述拉簧的弹性回复力及自身重力作用下作Z向往复摆动周期运动，由所述第二周期测量装置测量其安装卫星时的Z向摆动周期T_z；

根据公式(1)计算所述卫星的Y向转动惯量I_y：

$I_y=\frac{K_1}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_y^2-T_{0y}^2)---\left(1\right);$

其中，K₁为所述扭杆的刚度系数；

根据公式(2)计算所述卫星的X向转动惯量I_x：

$I_x=\frac{K_2}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_x^2-T_0^2)+mgh\frac{T_x^2}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(2\right);$

其中，K₂为所述拉簧的等效刚度系数，m为所述卫星的质量，h为所述卫星的质心到所述旋转轴组件的轴向的距离；

根据公式(3)计算的卫星的Z向转动惯量I_z：

$I_z=\frac{K_2}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_z^2-T_0^2)+mgh\frac{T_z^2}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(3\right).$

本发明实施例中一种卫星的转动惯量测量装置及方法，包括机体、安装在机体顶部的旋转预扭机构以及安装在旋转预扭机构顶部的工作台，旋转预扭机构包括底端固定在机体上且顶端固定在工作台上的扭杆，工作台上安装有固定支撑架，固定支撑架上通过旋转轴组件转动的安装有摆动机构，摆动机构上安装有可转动的支撑回转装置，卫星安装在支撑回转装置上后，工作台和摆动机构在扭杆的回复力作用下做Y向往复摆动周期运动，摆动机构在拉簧的弹性回复力及自身重力作用下做X/Z向的往复摆动周期运动，测量Y向和X/Z向的周期即可计算获得卫星在三个方向上的转动惯量，测量方便快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种卫星的转动惯量测量装置的正面结构示意图；

图2为图1中测量装置的左视结构示意图；

图3为图1中旋转预扭机构的结构示意图；

图4为图1中第一旋转预扭驱动装置的结构示意图；

图5为图1中摆动机构的正面结构示意图；

图6为图5中摆动机构的左视结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种卫星的转动惯量测量方法的步骤流程图。

附图标记说明：

1-机体，2-旋转预扭机构，3-工作台，4-固定支撑架，5-摆动机构，6-旋转轴组件，7-第一锁紧装置，8-第一周期测量装置，9-支撑回转装置，10-止动固定装置，11-第一旋转预扭驱动装置，12-第二旋转预扭驱动装置，13-第二锁紧装置，14-第二周期测量装置，15-支撑支座，16-扭杆，17-推力轴承，18-扭杆底座，19-深沟球轴承，20-隔套，21-空心旋转轴，22-连接盘，23-销轴，24-安装盘，25-摆动支架，26-安装平台，27-连接平板，28-交叉滚子轴承，29-花盆，30-摆动长杆，31-拉簧座，32-拉簧，33-第一减速电机，34-第一预扭盘，35-第一拨动挡块，36-第二减速电机，37-第二预扭盘，38-第二拨动挡块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，本发明提供了一种卫星的转动惯量测量装置，包括机体1、安装在机体1顶部的旋转预扭机构2以及安装在旋转预扭机构2顶部的工作台3。在工作台3上安装有摆动机构5，在机体1与工作台3之间设有第一锁紧装置7，以及用于测量旋转预扭机构2绕Y向摆动的摆动周期的第一周期测量装置8。在摆动机构5上设有支撑回转装置9，待测产品安装于支撑回转装置9上。在机体1与工作台3之间设有第一旋转预扭驱动装置11，在固定支撑架4与摆动机构5之间设有第二旋转预扭驱动装置12，第一旋转预扭驱动装置11和第二旋转预扭驱动装置12的结构相同，以分别驱动工作台3和摆动机构5作摆动运动。在所述工作台3与摆动机构5之间设有第二锁紧装置13，以及用于测量绕X或Z轴摆动的摆动周期的第二周期测量装置14。

如图3所示，旋转预扭机构2包括支撑支座15以及安装在支撑支座15底部用于固定扭杆16及推力轴承17的扭杆底座18。支撑支座15为空心管，扭杆底座18套接在支撑支座15靠近底端的内侧壁上，扭杆16一端固定在扭杆底座18中，另一端从支撑支座15内部穿过并从顶部露出。空心旋转轴21底端通过推力轴承17可转动的套接在扭杆底座18的内侧壁上。支撑支座15内部设有隔套20，隔套20上设有多组深沟球轴承19，深沟球轴承19位于支撑支座15的内侧壁和空心旋转轴21的外侧壁之间。空心旋转轴21顶部固定连接有安装盘24，安装盘24与支撑支座15之间具有空隙，使二者能够独立运动。连接盘22固定在安装盘24顶部，同时扭杆16顶端通过销轴23固定在连接盘22内部。工作台3固定在安装盘24和连接盘22顶部，使工作台3能够随安装盘24和连接盘22一起转动。需要说明的是，扭杆16使用复合材料制成，其一端固定后，另一端仍能绕轴向转动一个微小的角度。

如图4所示，第一旋转预扭驱动装置11包括安装在机体1侧面的第一减速电机33、设置在第一减速电机33的驱动轴上的第一预扭盘34以及设置在工作台3底部且与第一预扭盘34位置对应的第一拨动挡块35。第一预扭盘34与扭杆16中心的距离及第一预扭盘34自身外径的大小决定了工作台3的往复摆动角度值。

如图5和图6所示，摆动机构5包括作为固定机架安装于工作台两侧的固定支撑架4，每个固定支撑架4顶端垂直安装有旋转轴组件6，且两个旋转轴组件能够在固定支撑架4上自由转动且相对设置。每个旋转轴组件6末端垂直安装有摆动支架25，两个摆动支架25的末端横跨固定有安装平台26，支撑回转装置9固定安装在安装平台26。支撑回转装置9包括连接平板27、交叉滚子轴承28、花盆29和止动固定装置10。连接平板27固定在安装平台26上，连接平板27上固定安装有交叉滚子轴承28，交叉滚子轴承28顶部安装有花盆29，花盆29与连接平板27之间设有锁紧止动装置10，待测卫星安装在花盆29上。

每个摆动支架25顶部垂直固定有摆动长杆30，摆动长杆30两端分别与拉簧32的一端连接，拉簧32的另一端通过拉簧座32连接在工作台3上。

第二旋转预扭驱动装置12包括安装在固定支撑架4侧面的第二减速电机36、设置在第二减速电机36的驱动轴上的第二预扭盘37以及设置在摆动支架25侧面且与第二预扭盘37位置对应的第二拨动挡块38。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种卫星的转动惯量测量方法，包括以下步骤：

步骤100，测量未安装卫星时的Y向摆动周期T_0y并记录，具体过程为：

子步骤110，操作第一锁紧装置7处于松开状态，第二锁紧装置13处于锁紧状态；

子步骤120，控制第一旋转预扭驱动装置11，使第一预扭盘34回转拨动第一拨动挡块35运动至一定的角度后，第一预扭盘34与第一拨动挡块35分离，第一旋转预扭驱动装置11停止。同时工作台3及摆动机构5在扭杆16的回复力作用下作Y向往复摆动周期运动，其往复摆动周期由第一周期测量装置8进行测量并将测量所得到的摆动周期记录为未安装卫星时的Y向摆动周期T_0y。

步骤200，测量未安装卫星时的X、Z向摆动周期T₀并记录，具体过程为：

子步骤210，操作第一锁紧装置7处于锁紧状态，第二锁紧装置13处于松开状态；

子步骤220，控制第二旋转预扭驱动装置12，使第二预扭盘37回转第二拨动拨动挡块38运动至一定的角度后，第二预扭盘37与第二拨动挡块38分离，第二旋转预扭驱动装置12停止。同时摆动机构5在拉簧32的弹性回复力及自身重力作用下作X/Z向往复摆动周期运动，其往复摆动周期由第二周期测量装置14进行测量并将测量所得到的摆动周期记录为未安装卫星时的X/Z向摆动周期T₀。

步骤300，测量安装卫星时的Y向摆动周期T_y并记录，具体过程为：

子步骤310，操作第一锁紧装置7处于松开状态，第二锁紧装置13处于锁紧状态；

子步骤320，将卫星安装于摆动机构5的花盆29上，使卫星的X向与旋转轴组件6的轴向一致；

子步骤330，控制第一旋转预扭驱动装置11，使第一预扭盘34回转拨动第一拨动挡块35运动至一定的角度后，第一预扭盘34与第一拨动挡块35分离，第一旋转预扭驱动装置11停止。同时工作台3及摆动机构5在扭杆16的回复力作用下作Y向往复摆动周期运动，其往复摆动周期由第一周期测量装置8进行测量并将测量所得到的摆动周期记录为安装卫星时的Y向摆动周期T_y。

步骤400，测量安装卫星时的X向摆动周期T_x并记录，具体过程为：

子步骤410，操作第一锁紧装置7处于锁紧状态，第二锁紧装置13处于松开状态；

子步骤420，控制第二旋转预扭驱动装置12，使第二预扭盘37回转拨动第二拨动挡块38运动至一定的角度后，第二预扭盘37与第二拨动挡块38分离，第二旋转预扭驱动装置12停止。同时摆动机构5在拉簧32的弹性回复力及自身重力作用下作X向往复摆动周期运动，其往复摆动周期由第二周期测量装置13进行测量并将测量所得到的摆动周期记录为安装卫星时的X向摆动周期T_x。

步骤500，测量安装卫星时的Z向摆动周期T_z并记录，具体过程为：

子步骤510，操作支撑回转装置9，使卫星的Z向与旋转轴组件6的轴向一致，锁紧止动固定装置10；

子步骤520，控制第二旋转预扭驱动装置12，使第二预扭盘37回转拨动第二拨动挡块38运动至一定的角度后，第二预扭盘37与第二拨动挡块38分离，第二旋转预扭驱动装置12停止。同时摆动机构5在拉簧32的弹性回复力及自身重力作用下作Z向往复摆动周期运动，其往复摆动周期由第二周期测量装置14进行测量并将测量所得到的摆动周期记录为安装卫星时的Z向摆动周期T_z。

步骤600，根据公式(1)计算卫星Y向转动惯量I_y：

$I_y=\frac{K_1}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_y^2-T_{0y}^2)---\left(1\right);$

其中，K₁为扭杆16的刚度系数。

步骤700，根据公式(2)计算卫星X向转动惯量I_x：

$I_x=\frac{K_2}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_x^2-T_0^2)+mgh\frac{T_x^2}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(2\right);$

其中，K₂为拉簧32的等效刚度系数，m为卫星的质量，h为卫星质心到旋转轴组件6轴向的距离。

步骤800，根据公式(3)计算卫星Z向转动惯量I_z：

$I_z=\frac{K_2}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_z^2-T_0^2)+mgh\frac{T_z^2}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(3\right).$

至此就完成了卫星的三个方向转动惯量的测量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种卫星的转动惯量测量装置，其特征在于，包括机体、旋转预扭机构和工作台，所述旋转预扭机构包括扭杆，所述扭杆一端固定在所述机体顶部，另一端固定在所述工作台底部，所述工作台上垂直固定有固定支撑架，所述固定支撑架通过旋转轴组件转动的连接有摆动机构，所述摆动结构包括连接所述旋转轴组件的摆动支架以及固定在所述摆动支架上水平设置的安装平台，所述安装平台上安装有可在水平方向上转动的支撑回转装置，所述支撑回转装置上安装有用于锁止所述支撑回转装置的止动固定装置，所述摆动支架顶部安装有水平设置的摆动长杆，所述摆动长杆两端均安装有拉簧，所述拉簧通过拉簧座连接在所述工作台上，所述机体和工作台之间安装有用于锁止所述工作台的第一锁紧装置以及用于测量所述工作台的摆动周期的第一周期测量装置，所述工作台和摆动机构之间安装有用于锁止所述摆动机构的第二锁紧装置以及用于测量所述摆动机构的摆动周期的第二周期测量装置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转预扭机构包括支撑支座以及安装在所述支撑支座底部用于固定所述扭杆的扭杆底座，所述扭杆一端固定在所述扭杆底座中，另一端从所述支撑支座内部穿过并从顶部露出，所述支撑支座内部安装有空心旋转轴，所述空心旋转轴底端通过推力轴承可转动的套接在所述扭杆底座的内侧壁上，所述空心旋转轴顶部固定连接有安装盘，所述安装盘顶部安装有连接盘，所述扭杆顶端通过销轴固定在所述连接盘内部，所述工作台固定在所述安装盘和连接盘顶部。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述支撑支座内部设有隔套，所述隔套上设有多组深沟球轴承，所述深沟球轴承位于所述支撑支座的内侧壁和所述空心旋转轴的外侧壁之间。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机体上安装有第一旋转预扭驱动装置，所述第一旋转预扭驱动装置包括安装在所述机体上的第一减速电机，所述第一减速电机的驱动轴上安装有第一预扭盘，所述工作台底部固定有与所述第一预扭盘位置对应的第一拨动挡块。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定支撑架上安装有第二旋转预扭驱动装置，所述第二旋转预扭驱动装置包括安装在所述固定支撑架上的第二减速电机，所述第二减速电机的驱动轴上安装有第二预扭盘，所述摆动支架侧面固定有与所述第二预扭盘位置对应的第二拨动挡块。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装平台上固定有连接平板，所述支撑回转装置包括交叉滚子轴承和花盆，所述交叉滚子轴承安装在所述连接平板顶部，所述花盆安装在所述交叉滚子轴承顶部，所述止动固定装置安装在所述花盆和连接平板之间。

7.使用如权利要求1所述的卫星的转动惯量测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

操作第一锁紧装置处于松开状态，第二锁紧装置处于锁紧状态，控制工作台及摆动机构转动一定角度，所述工作台和摆动机构在扭杆的回复力作用下作Y向往复摆动周期运动，由第一周期测量装置测量其未安装卫星时的Y向摆动周期T_0y；

操作所述第一锁紧装置处于锁紧状态，所述第二锁紧装置处于松开状态，控制所述摆动机构转动一定角度，所述摆动机构在拉簧的弹性回复力及自身重力作用下作X/Z向往复摆动周期运动，由第二周期测量装置测量其未安装卫星时的X/Z向摆动周期T₀；

操作所述第一锁紧装置处于松开状态，所述第二锁紧装置处于锁紧状态，将卫星安装于所述摆动机构上，使所述卫星的X向与旋转轴组件的轴向一致，控制所述工作台及摆动机构转动一定角度，所述工作台和摆动机构在所述扭杆的回复力作用下作Y向往复摆动周期运动，由所述第一周期测量装置测量其安装卫星时的Y向摆动周期T_y；

操作所述第一锁紧装置处于锁紧状态，所述第二锁紧装置处于松开状态，控制所述摆动机构转动一定角度，所述摆动机构在所述拉簧的弹性回复力及自身重力作用下作X向往复摆动周期运动，由所述第二周期测量装置测量其安装卫星时的X向摆动周期T_x；

操作支撑回转装置使所述卫星的Z向与所述旋转轴组件的轴向一致，锁紧止动固定装置，控制所述摆动机构转动一定角度，所述摆动机构在所述拉簧的弹性回复力及自身重力作用下作Z向往复摆动周期运动，由所述第二周期测量装置测量其安装卫星时的Z向摆动周期T_z；

根据公式(1)计算所述卫星的Y向转动惯量I_y：

$I_y=\frac{K_1}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_y^2-T_{0y}^2)---\left(1\right);$

其中，K₁为所述扭杆的刚度系数；

根据公式(2)计算所述卫星的X向转动惯量I_x：

$I_x=\frac{K_2}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_x^2-T_0^2)+mgh\frac{T_x^2}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(2\right);$

其中，K₂为所述拉簧的等效刚度系数，m为所述卫星的质量，h为所述卫星的质心到所述旋转轴组件的轴向的距离；

根据公式(3)计算的卫星的Z向转动惯量I_z：

$I_z=\frac{K_2}{4{\mathrm{\π}}^2}(T_z^2-T_0^2)+mgh\frac{T_z^2}{4{\mathrm{\π}}^2}---\left(3\right).$