CN108253993A - 星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置，主要包括隔振系统、下转接装置、力信号测量系统、上转接装置，下转接装置通过机械连接方式设置于安装板之上，下转接装置上端用于设置力传感器，接口要与力传感器接口相匹配，力信号测量系统由力传感器、电荷放大器以及数据采集系统组成，力传感器上端与上转接装置下端机械连接，上转接装置上端与被测产品机械连接。本发明可获得每个安装点处三个方向的微振动扰振力，也可获得产品质心处的微振动扰振力合力、合力矩。

Description

星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置

技术领域

本发明属于航天器动力学试验技术领域，具体涉及微振动扰振力测试装置。

背景技术

微振动是航天器在轨运行期间，由于搭载设备(如动量轮、控制力矩陀螺等高速转动部件、太阳翼驱动机构等步进部件、红外相机摆镜等摆动部件)的正常工作或空间环境的微小激励(如航天器进出地影产生的热致微振动)会造成航天器整体和(或)局部幅度较小的往复运动。在轨微振动环境的存在，会使星载设备的指向与目标发生相对运动，是影响空间望远镜、高分辨率遥感卫星、激光通信卫星等高精度航天器成像质量和指向精度等关键性能的重要因素。

大量研究表明，类似动量轮，控制力矩陀螺等具备高速旋转机构的单机是航天器的主要微振动扰振源。高精度航天器特别是“哈勃”等高精度的空间望远镜，动量轮工作时产生的扰动严重影响这类航天器的成像质量。该类单机的扰动主要是由于高速转子质量分布不均匀引起的静不平衡和动不平衡造成的。静不平衡是由于轮子的质心偏离了转轴的中心而产生的，动不平衡是由于轮子的质量分布不均匀造成轮子惯量积不为零而产生的。当高速转子工作时，所产生的微振动扰振力会通过安装面传递给星体结构，从而影响到有效载荷的正常运行。为了分析该类单机对卫星力学环境的影响，必须对单机与星体安装面的输出扰振力进行充分辨识。现有的一种控制力矩陀螺，示意图于图1中，图1a为现有的控制力矩陀螺的主视图示意图，图1b为现有的控制力矩陀螺的俯视图示意图，该控制力矩陀螺主要用于大型星船之上，特点是产品结构尺寸大，总质量大，力矩输出大，并且该力矩陀螺的部分结构突出于安装接口所在平面，安装平面平面度要求高。这种大质量高力矩输出控制力矩陀螺所产生微振动扰振力会通过安装点传递到星船，直接影响到星船的有效载荷，对该产品的微振动输出扰振力进行识别，包括识别质心处的扰振力合力、合力矩以及识别各安装点处的扰振力对结构设计十分重要。但由于产品的重量大，输出力矩大，安装方式、结构形式限制，目前，还没有针对该类大质量高力矩输出产品的微振动扰动力测试装置。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种星载大质量高力矩输出控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置，通过该装置可以准确测得该类产品安装界面的微振动扰动力及质心处的微振动扰动合力、合力矩。

本发明通过以下技术方案实现：

星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置，主要包括隔振系统、下转接装置、力信号测量系统、上转接装置，用于隔离地面微振动干扰的隔振系统由多个空气隔振器、大理石质量块和安装板组成，多个空气隔振器支撑在大理石质量块底部对其支撑，安装板机械固定在大理石质量块的顶部用于设置下转接装置；下转接装置为花盆形状，通过机械连接方式设置于安装板之上，用于为星载控制力矩陀螺突出安装平面部分提供安装空间，并且为力传感器提供固定安装边界，下转接装置上端用于设置力信号测量系统的力传感器，接口要与力传感器接口相匹配，位置根据被测星载控制力矩陀螺的安装接口位置确定，并且下装接装置上表面精加工处理，保证安装平面度。力信号测量系统由力传感器、电荷放大器以及数据采集系统组成，力传感器通过导线依次连接至电荷放大器及数据采集系统，力传感器上端与上转接装置下端机械连接，上转接装置上端与被测星载控制力矩陀螺进行机械连接。

其中，力信号测量系统用于测量被测星载控制力矩陀螺的4个安装点所产生的三个方向的微振动扰动力信号。

其中，所述安装板为铝安装板。

其中，所述通过机械连接方式设置于安装板之上是通过螺栓连接或压块连接的方式设置与安装板之上。

其中，空气隔振器为空气弹簧，空气弹簧也可以由金属弹簧替代。

进一步地，空气隔振器的数量优选为4个。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、可以准确识别大质量高力矩输出控制力矩陀螺在工作状态下的微振动扰振力。

2、即可以获得每个安装点处三个方向的微振动扰振力，也可以获得产品质心处的微振动扰振力合力、合力矩。

附图说明

图1a是现有技术中星载控制力矩陀螺的正视图；

图1b是现有技术中星载控制力矩陀螺的俯视图；

其中，11、星载控制力矩陀螺的安装平面；12、星载控制力矩陀螺突出于安装平面部分；13、星载控制力矩陀螺安装点；14、星载控制力矩陀螺几何中心。

图2为本发明一具体实施方式的星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置的结构示意图。

其中，21、被测星载控制力矩陀螺；22、上转接装置；23、力传感器；24、下转接装置；25、铝合金安装板；26、大理石块；27、空气弹簧。

图3为本发明一具体实施方式的星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置中隔振系统的示意图。

其中，25、铝合金安装板；26、大理石块；27、空气弹簧。

图4为本发明一具体实施方式的星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置中下转接装置的示意图。

其中，41为下转接装置下表面；42为下转接装置上表面；43为下转接装置内表面(为星载控制力矩陀螺突出安装平面部分留出空间)。

图5为本发明一具体实施方式的星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置中力传感器的示意图。

其中，51为力传感器上表面；52为力传感器下表面；53为力传感器测力平面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

如图2所示，图2显示了本发明一具体实施方式的星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置的结构示意图。该测试装置主要包括隔振系统、下转接装置24、力信号测量系统、上转接装置22，用于隔离地面微振动干扰的隔振系统由4个空气弹簧27、大理石质量块26和铝合金安装板25组成，多个空气弹簧27支撑在大理石质量块26底部对其支撑，铝合金安装板25机械固定在大理石质量块26的顶部用于设置下转接装置24；下转接装置24为花盆形状，通过机械连接方式设置于安装板之上，用于为星载控制力矩陀螺的突出安装平面部分提供空间并且为力传感器提供固定安装边界，下转接装置24上端42用于设置力信号测量系统的力传感器23，接口要与力传感器23下表面52接口相匹配，位置根据被测星载控制力矩陀螺21的安装接口位置确定，力信号测量系统由力传感器23、电荷放大器以及数据采集系统组成，力传感器23通过导线依次连接至电荷放大器及数据采集系统，力传感器23上端51与上转接装置22下端机械连接，上转接装置22上端与被测星载控制力矩陀螺21进行机械连接。

具体来说，被测星载控制力矩陀螺21通过螺栓安装于上转接装置22之上，上转接装置22通过螺栓与力传感器23连接，力传感器23再通过螺栓与下转接装置24连接，下转接装置24通过螺栓与铝合金安装板25连接，铝合金安装板25通过螺栓与大理石块26连接，大理石块26安置于4个空气弹簧之上。其中，铝合金安装板25与大理石质量块26及空气弹簧构成的隔振系统的结构见图3，大理石质量块26的四个角支撑在空气弹簧27上，空气弹簧27也可以由金属弹簧取代，大理石质量块26的上部表面上固定设置铝合金安装板25。被测星载控制力矩陀螺21工作时，所产生的微振动扰振力通过安装点13传递给力传感器23，再由数据采集系统进行后处理得到被测星载控制力矩陀螺21各安装点的微振动扰振力以及产品质心处的微振动扰振力合力、合力矩。隔振系统安装完成后，整个系统的1阶频率要低于被测星载控制力矩陀螺21基频的3倍。大理石质量块安装于4个空气隔振器之上，降低隔振系统的一阶固有频率。铝合金安装板安装于大理石质量块之上，用于安装下转接装置。

系统的1阶频率按如下公式计算：

K＝4K1

M＝M1+M2+M3

其中：K1为空气弹簧的刚度

M1为大理石块质量

M2为铝合金安装版质量

M3为铝合金安装板以上安装部分总质量

进一步地，铝合金安装板与大理石块通过9个M16螺栓连接，连接后，铝合金安装版的1阶频率在产品基频的10倍以上，铝合金安装版根据下转接装置配打安装孔。

参见图4，图4显示了本发明的一具体实施方式的星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置中下转接装置的结构。该下转接装置设计为花盆形式，下转接装置下表面41与铝合金安装板通过24个M12螺栓连接。即给产品的突出部分提供了空间，又保证了安装平面度以及下转接装置的本体刚度与安装刚度。螺栓个数可以在满足安装刚度的情况下增减，一般安装刚度要大于产品基频10倍以上。下转接装置的结构形式也可以根据产品情况设计，但也要保证本体刚度大于产品基频10倍以上。下转接装置上表面42留有4个力传感器安装接口，接口位置根据产品安装接口位置设计。

参见图5，图5显示了本发明的一具体实施方式的星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置中力信号传感器的结构。其中，力信号测量系统主要用于测得产品的输出扰振力，系统包括4个力传感器、电荷放大器以及数据采集仪。4个力传感器分别通过上下各4个M6螺栓安装于上转接装置与下转接装置之间，每个力传感器可测得各自安装点处的三个方向的扰振力，通过导线将电荷信号传至电荷放大器转换为电压信号再传至数据采集仪进行分析。

同样，也可以获得星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置质心处各方向的输出合力，按下公式进行计算：

F＝F1+F2+F3+F4

其中：F1、F2、F3、F4分别为四个安装点1、2、3、4号力传感器各方向的输出力；

产品质心处各方向的输出合力矩按下公式进行计算：

MX＝-F1Y(H+Z)-F1Z(B+Y)-F2Y(H+Z)+F2Z(B-Y)

-F3Y(H+Z)+F3Z(B-Y)-F4Y(H+Z)-F4Z(B+Y)

MY＝-F1X(H+Z)-F1Z(A-X)-F2X(H+Z)+F2Z(A+X)-F3X(H+Z)

+F3Z(A+X)-F4X(H+Z)-F4Z(A-X)

MZ＝F1X(B-Y)-F1Y(A-X)+F2X(B-Y)+F2Y(A+X)-F3X(B+Y)

+F3Y(A+X)-F4X(B+Y)-F4Y(A-X)

其中：坐标原点在产品的几何中心

H为力传感器测力平面53到产品几何中心高度

A、B分别为产品安装点相对于产品几何中心在X、Y轴上的距离。产品质心相对于产品几何中心的坐标为(X、Y、Z)。

为保证测量精度，力传感器的选型应根据产品实际的输出扰振力来进行选配。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，相关技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.星载控制力矩陀螺的微振动扰振力测试装置，主要包括隔振系统、下转接装置、力信号测量系统、上转接装置，用于隔离地面微振动干扰的隔振系统由多个空气隔振器、大理石质量块和安装板组成，多个空气隔振器支撑在大理石质量块底部对其支撑，安装板机械固定在大理石质量块的顶部用于设置下转接装置；下转接装置为花盆形状，通过机械连接方式设置于安装板之上，用于为星载控制力矩陀螺突出于安装平面部分提供空间并且为力传感器提供固定安装边界，下转接装置上端用于设置力信号测量系统的力传感器，接口要与力传感器接口相匹配，位置根据被测星载控制力矩陀螺的安装接口位置确定，力信号测量系统由力传感器、电荷放大器以及数据采集系统组成，力传感器通过导线依次连接至电荷放大器及数据采集系统，力传感器上端与上转接装置下端机械连接，上转接装置上端与被测星载控制力矩陀螺进行机械连接。

2.如权利要求1所述的微振动扰振力测试装置，其中，力信号测量系统用于测量被测星载控制力矩陀螺的4个安装点所产生的微振动扰动力信号。

3.如权利要求1所述的微振动扰振力测试装置，其中，所述安装板为铝安装板。

4.如权利要求1-3任一项所述的微振动扰振力测试装置，其中，所述通过机械连接方式设置于安装板之上是通过螺栓连接或压块连接的方式设置与安装板之上。

5.如权利要求1所述的微振动扰振力测试装置，其中，空气隔振器为空气弹簧。

6.如权利要求5所述的微振动扰振力测试装置，其中，空气弹簧由金属弹簧替代。

7.如权利要求1所述的微振动扰振力测试装置，其中，空气隔振器的数量为4个。