CN108287049B - 真空环境下星载飞轮扰振力测试的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空环境下星载飞轮扰振力测试装置，包括若干空气隔振器，大理石质量块、支撑装置、力传感器、产品安装台面以及真空罐等，空气隔振器用于支撑大理石质量块，顶部再支撑设置真空罐，罐内具备一定的真空度，且底部设置力传感器，力传感器对安装台面上方的星载飞轮扰动源产生的微扰动进行测试，星载飞轮扰动源工作时产生的扰振通过安装板传递给力传感器，再传至与力传感器连接的信号处理器、数据采集仪进行信号采集。本发明的设备进行飞轮输出扰振力的测试使测试结果更准确，更接近飞轮真实的工作状态，数据也更具有指导性。

Description

真空环境下星载飞轮扰振力测试的试验装置

技术领域

本发明属于航天器干扰源微振动试验技术领域，具体涉及一种可进行真空环境下星载飞轮扰振力测试的试验装置。

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)造成的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，高精度航天器特别是“哈勃”等高精度的空间望远镜，动量轮(反作用轮)工作时产生的扰动是影响这类航天器成像质量的主要扰动源。反作用轮扰动主要是由于动量轮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。为了分析反作用轮对卫星力学环境的影响，首先应对单机的输出扰振力进行充分辨识。

飞轮输出的微振动扰振力量级一般很小，测试时周围的环境噪声、地面振动等外界因素的影响都会造成测试结果的不准确。并且，星载飞轮都是在真空环境下进行工作的，这也导致地面常压下进行扰振力测试的结果与真实工作状态的结果有所差距。因此，能在真空环境下进行飞轮扰振力的测试并且有效的隔离地面振动等环境噪声很有必要，而目前国内还没有针对这一想法的试验设备。

发明内容

本发明旨在发明一种可进行真空环境下星载飞轮扰振力测试的试验装置。该装置配备有真空系统，可为产品创造真空试验环境，同时配备有大理石质量块，可降低反作用力对测试的影响。通过该装置，即可以进行星载飞轮等扰振源常压下的扰振测试试验又可进行真空下的扰振测试试验。

其中真空状态的扰振力测试可更真实的反映出在轨工作状态，在真空环境下准确测得星载飞轮、动量轮等微振动扰振源的扰振力输出特性。

本发明通过以下的技术方案加以实现。

真空环境下星载飞轮扰振力测试装置，包括若干空气隔振器，大理石质量块、支撑装置、力传感器、产品安装台面以及真空罐，信号处理器、数据采集仪；其中若干空气隔振器用于支撑大理石质量块，大理石质量块顶部支撑设置真空罐，真空罐底部与大理石质量块密封连接使得真空罐内具备一定的真空度，真空罐内的底部上设置有通过支撑装置支撑的若干力传感器，若干力传感器通过支撑产品安装台面以对安装台面上方的星载飞轮扰动源产生的微扰动进行测试，其中，当星载飞轮工作时，所产生的扰振力通过安装点传递给安装台面，安装台面为刚性结构并且与力传感器刚性连接，将扰振力传递给下部的力传感器，力传感器感受到信号后通过测试电缆传递给信号处理器，最后传至数据采集仪进行数据采集进而获得星载飞轮工作时的输出扰振力。

其中，4个空气隔振器安置于地基上，来承载整个测量装置。

其中，大理石质量块安放于空气隔振器之上，通过空气隔振器的自动调平系统调节质量块的水平度。

其中，真空罐底部设置于大理石质量块之上，真空罐内产品安装台面通过4个力传感器以及4个支撑装置安装于大理石质量块中心位置。

其中，星载飞轮扰动源工作时产生的扰振通过安装板传递给力传感器，再传至与力传感器连接的信号处理器、数据采集仪进行信号采集。

其中，真空罐为立式真空罐,侧面具有真空罐大门以使星载飞轮扰动源的产品进出通道，即容器大门，大门中心距安装平台高度不低于500mm。

其中，真空罐罐体与大理石质量块靠转接板连接，真空罐通过转接板安装于大理石之上，大理石上真空罐的安装位置预先涂密封胶，保证接触面平面度与密封度。

其中，所有测试电缆通过穿墙法兰连接至罐外，真空系统配备有粗抽机组、真空规、法兰盘、线缆与穿墙插头、测控系统、真空测量、控制柜、粗抽机组控制设备，以保证真空扰振试验真空度要求。

本发明最主要的优点是可以在真空的环境下进行飞轮输出微振动扰振力的测量。真空环境下测量具有以下突出的效果，一方面，由于声音在真空环境下是无法传播的，真空环境可以有效的隔离外界噪声环境对飞轮扰振力测试的影响，相对于飞轮输出的微小扰振力信号来说很有必要；另一方面，卫星在轨工作时，飞轮是在真空下工作的，很多真空环境时的特性只有在真空环境下才能表现出来，通过本装置所测得的飞轮扰振力数据更加接近于真实的在轨工作状态更具有指导性。除此之外，本装置利用大质量的大理石质量块能很好的降低飞轮工作反作用力对测试结果的影响。该质量块再配合空气隔振装置组成隔振系统能有效的隔离地面传来的振动。综上所述，本发明的设备进行飞轮输出扰振力的测试可以使测试结果更准确，更接近飞轮真实的工作状态，数据也更具有指导性。

附图说明

图1为本发明的真空环境下星载飞轮扰振力测试装置的组成示意图。

图2为本发明的真空环境下星载飞轮扰振力测试装置中大理石上表面安装孔的结构示意图。

图3为本发明的真空环境下星载飞轮扰振力测试装置中安装台面的俯视图。

图4为本发明的真空环境下星载飞轮扰振力测试装置中安装台面、力传感器、支撑装置连接方式示意图。

图5为本发明的真空环境下星载飞轮扰振力测试装置中真空罐转接板的结构示意图。

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。

参见图1，图1显示了本发明的真空环境下星载飞轮扰振力测试装置的组成示意图。真空环境下星载飞轮扰振力测试装置，包括四个空气隔振器，大理石质量块、支撑装置、四个力传感器、产品安装台面以及真空罐，信号处理器、数据采集仪；其中若干空气隔振器用于支撑大理石质量块，大理石质量块顶部支撑设置真空罐，真空罐底部与大理石质量块密封连接使得真空罐内具备一定的真空度，真空罐内的底部上设置有通过支撑装置支撑的若干力传感器，若干力传感器通过支撑产品安装台面以对安装台面上方的星载飞轮扰动源产生的微扰动进行测试，其中，当星载飞轮工作时，所产生的扰振力会通过安装点传递给安装板，安装板为刚性结构并且与力传感器刚性连接，会将扰振力传递给下部的力传感器，力传感器感受到信号后通过测试电缆传递给信号处理器，最后传至数据采集仪进行数据采集进而获得星载飞轮工作时的输出扰振力。

如图1所示，四个空气弹簧放置于水平地基上，将大理石质量块安放于四个空气弹簧之上，空气弹簧支撑在大理石质量块底面的四个角上。空气弹簧配有低噪声气泵提供气源。大理石质量块具有足够的质量来降低反作用力的干扰，并且与空气弹簧组成质量弹簧系统，根据质量与气压调节系统的一阶频率，隔离地面干扰。大理石质量块上表面留有安装孔，安装孔配钢丝螺套。4个支撑装置通过螺栓固定于大理石质量块上表面中心位置，如图2所示位置。支撑装置用于安装力传感器，要具有足够的刚度，并留有力传感器预紧螺钉的安装接口。

安装台面的四个角设置有力传感器预紧螺钉的安装沉孔如图3所示。并且设置有产品的安装孔(依产品而定)。进一步地，大理石质量块与空气隔振器组成质量弹簧系统来隔离地面的振动信号，为扰力测试创造低振动背景噪声；另一方面大理石质量块可以降低飞轮反作用力的影响。4个力传感器分别压紧于安装台面与4个支撑装置之间，具体为将力传感器预紧螺钉通过安装平台预留的安装沉孔穿过力传感器中心旋于支撑装置安装孔内，施加一定的力矩将传感器压紧在安装平台与支撑装置之间。如图4所示。

本发明中的各部件结构进行如下详细说明：

真空系统的设计

真空罐为立式,侧面为产品进出通道，即容器大门，大门中心距测试平台高度不低于500mm，真空罐罐体与大理石质量块靠转接板连接，转接板的结构如图5所示。容器通过24个螺栓安装于转接板上，转接板通过8个螺栓固定于大理石台面的真空罐接口上，转接板与平台间需要做密封处理，真空容器安装于测试平台转接板上，容器与转接板之间做密封处理以保证真空度要求，系统真空度可达到10Pa(负载)；配有无油抽气真空泵，容器由大气压力抽到10Pa的时间应小于40min；配有真空规完成容器真空度的测量，测量范围为10⁵Pa～0.1Pa。

真空罐的结构设计

1)容器内表面抛光，外表面喷砂；

2)真空状态下，大门与筒体间密封，转动轻便灵活；

3)所有连接法兰均采用氟橡胶密封；

4)大门中心和筒体中部设置观察窗；

5)筒体侧面设置抽气接口和放气孔；

6)筒体预留微振动测试BNC接头；

7)容器内设置LED照明灯。

真空规

真空测量采用电阻规测量容器真空度和粗抽系统管道内的真空度。容器外部装有2个电阻规，互为备份。

粗抽机组

系统配备粗抽机组进行抽气，以满足容器内真空度和保压要求。

法兰盘

法兰盘设计为若干个，用于完成微振动平台力信号测量和试验件的信号测量等。

线缆与穿墙插头

罐内电缆过渡电缆一段为BNC接头，与传感器输出端相连接，另一端为多芯航插电连接器，与法兰盘上的穿墙插座对接，连接传感器的BNC甩线端有明确标识且能与法兰盘上的罐内航空插座一一对应，两端编号标识清楚。罐外过渡电缆一段为BNC接头，与测试仪器相连，另一端为多芯航插电连接器，与法兰盘上的穿墙插座对接，连接测试仪器的BNC甩线端有明确标识且能与法兰盘上的罐外航空插座一一对应，两端编号标识清楚。法兰盘上穿墙插座为多芯航插插头，各种高频穿墙插头等。

测控系统

控制需要完成容器和管道真空度测量，粗抽机组的启停控制和相关状态监控和照明系统的开关。

粗抽机组控制

粗抽机组放置于控制柜内，机组的启停可以通过在控制柜实现监控和状态显示，将粗抽机组报警、故障信号接入控制柜，以便实时监控粗抽机组的状态。

真空测量

真空系统主要由1台粗抽机组、3个真空规管、管路等组成。容器外部装有2个真空规测量容器真空度，选用1台真空计对设备上的3个规管进行测量。真空计安装在控制柜面板上，实现真空度显示。

控制柜

控制柜面板由真空计，粗抽机组，供电插头等组成。

a)控制柜前面板带有防尘玻璃门，并可锁定；

b)控制柜结构牢固，通风良好，利于散热；

c)后面板和侧面板可拆卸，便于接线及维护；

d)系统设备的所有供电均通过现场配电电源柜提供，测控系统总功率不超过10kw。

e)现场控制柜内阀门、仪表等弱电的供电集中到一个进线点，由UPS电源供电；

控制柜背板设置供电接口，包括2排插座(每排插座含2个380V/20A，2个220V/16A，3个220V/10A插头)。

在进行产品的扰振测试试验时，打开真空罐上的大门，将产品固定于安装板上，所需电缆通过穿墙法兰连接至罐外。而后关闭安装门，抽真空创造真空环境。当真空度满足要求时开始扰振测试试验。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.真空环境下星载飞轮扰振力测试装置，包括若干空气隔振器，大理石质量块、支撑装置、力传感器、产品安装台面以及真空罐，信号处理器、数据采集仪；其中，若干空气隔振器用于支撑大理石质量块，大理石质量块顶部支撑设置真空罐，真空罐底部与大理石质量块密封连接使得真空罐内具备一定的真空度，真空罐内的底部上设置有通过支撑装置支撑的若干力传感器，若干力传感器通过支撑产品安装台面以对安装台面上方的星载飞轮扰动源产生的微扰动进行测试，其中，当星载飞轮工作时，所产生的扰振力会通过安装点传递给安装台面，安装台面为刚性结构并且与力传感器刚性连接，将扰振力传递给下部的力传感器，力传感器感收到信号后通过测试电缆传递给信号处理器，最后传至数据采集仪进行数据采集进而获得星载飞轮工作时的输出扰振力。

2.如权利要求1所述的测试装置，其中，4个空气隔振器安置于地基上，来承载整个测量装置。

3.如权利要求1所述的测试装置，其中，大理石质量块安放于空气隔振器之上，通过空气隔振器的自动调平系统调节质量块的水平度。

4.如权利要求1所述的测试装置，其中，真空罐底部设置于大理石质量块之上，真空罐内产品安装台面通过4个力传感器以及4个支撑装置安装于大理石质量块中心位置。

5.如权利要求1-4任一项所述的测试装置，其中，星载飞轮扰动源工作时产生的扰振通过安装板传递给力传感器，再传至与力传感器连接的信号处理器、数据采集仪进行信号采集。

6.如权利要求1-4任一项所述的测试装置，其中，真空罐为立式真空罐, 侧面具有真空罐大门以使星载飞轮扰动源的产品进出通道，即容器大门，大门中心距安装平台高度不低于500mm。

7.如权利要求1-4任一项所述的测试装置，其中，真空罐罐体与大理石质量块靠转接板连接，真空罐通过转接板安装于大理石之上，大理石上真空罐的安装位置预先涂密封胶，保证接触面平面度与密封度。

8.如权利要求1-4任一项所述的测试装置，其中，所有测试电缆通过穿墙法兰连接至罐外，真空系统配备有粗抽机组、真空规、法兰盘、线缆与穿墙插头、测控系统、真空测量、控制柜、粗抽机组控制设备，以保证真空扰振试验真空度要求。