CN109975003A - 一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法及装置 - Google Patents

一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法及装置，该方法包括：获取卫星跟踪转台在真实服役环境下的微重力和温度参数；根据所述微重力和温度参数获取转台运动轴系的摩擦力矩数值；将相应所述摩擦力矩数值的摩擦力矩作用到轴系上，同时轴系通过驱动机构使其与真实卫星跟踪转台的相应部件运动保持一致；通过获取驱动机构驱动轴系的参数来判断其运动跟踪精度的高低；所述轴系通过极低摩擦的润滑水膜悬浮于密闭环境中。该发明是一种高还原度的卫星跟踪转台地面模拟试验方法，成本较传统微重力环境模拟方法要低很多，适合不同运行轨道甚至深空环境工作的转台模拟试验，对发展高精度转台有重要的价值。

Description

一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星跟踪转台性能检测技术领域，尤其涉及一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法及装置。
背景技术
作为太空侦查活动中的核心装备，卫星跟踪转台通过其搭载的红外相机或太空望远镜能够实现对空间目标的探测和跟踪，从而及时、准确地掌握空间势态，因此是世界强国竞相研究的战略性装备。随着探测任务要求向全天时、全天候、高精度等方向不断发展，卫星转台的性能指标必须持续升级以应对这些挑战。虽然卫星转台长期工作于太空微重力环境中，但其制造、安装和调试工作都是在地面上进行的。由于温度、重力环境等条件不同，地面试运行得到的性能数据结果与空间服役的真实情况会有较大的误差，严重制约了高精度卫星跟踪转台的发展。为了最大程度上获取准确的性能数据，研究者们通常竭尽所能在地面上模拟太空微重力环境，然后开展试验、获取相关数据。总体来说，有关空间微重力条件的地面模拟试验方法主要有：落塔法、抛物飞行法、悬吊法、水浮法、气浮法等。落塔法是指在微重力塔中做自由落体运动，从而产生微重力环境的一种方法。该方法的模拟精度高，但单次微重力试验时间过短，具有较大的应用局限性。抛物飞行法即利用抛物线机动飞行来创造微重力环境，目前能够创造20-30秒左右的试验时间。与落塔法类似，单次试验持续时间过短难以对装置的性能指标进行充分考核。悬吊法即利用吊丝的垂直拉力来平衡试验装置自身重力，该方法的精度不高，不适合卫星转台这种精密装置的测试。气浮法是指主要通过气悬浮的方法在光滑平台上将试验装置平托起来，即悬浮力与重力抵消来实现微重力模拟的一种方法。该方法只能适用平面的微重力试验，不能实现三维度微重力环境模拟。水浮法是通过水的浮力来抵消实验装置重力的影响，可以实现三维空间的微重力试验且试验时间不受限制，但试验必须在有一定粘度的水中进行，会对运动副之间的运动产生影响且不适合卫星转台这类机电系统，一般用于纯机械系统的模拟试验。
综上所述，现有的几种微重力环境模拟方法难以准确考核卫星转台真实服役性能指标，或因单次试验持续时间过短，或因精度不高，或因只能进行两维模拟，严重制约了高精度卫星跟踪转台的发展。究其本因，在重力无所不在的地面上，根本实现不了真正意义上的微重力环境。因此，必须转换思路，绕开微重力环境无法有效模拟的死结，重新提出卫星转台的地面模拟试验思路。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法及装置。
一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法，包括：
获取卫星跟踪转台在真实服役环境下的微重力和温度参数；
根据所述微重力和温度参数获取转台运动轴系的摩擦力矩数值；
将所述摩擦力矩数值的相应摩擦力矩作用到轴系上，同时轴系通过驱动机构使其与真实卫星跟踪转台的相应部件运动保持一致；
通过获取驱动机构驱动轴系的参数来判断其运动跟踪精度的高低；
所述轴系通过极低摩擦的润滑水膜悬浮于密闭环境中。
本发明的另一目的在于提供一种卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，包括：轴系机构、为轴系机构的一端提供摩擦力矩的摩擦力矩施加装置、为轴系机构的另一端提供动力的驱动机构；
所述轴系机构包括：由试验台上壳体、试验台下壳体密封构成的壳体，在该壳体内悬浮有通过左水润滑静压轴承右水润滑静压轴承支撑的转轴，所述转轴的两端分别伸出在壳体外；
所述左水润滑静压轴承的左轴承体、右水润滑静压轴承的右轴承体分别安装在左轴承座、右轴承座中，并通过轴承轴向左定位环、轴承轴向右定位环在所述壳体内实现轴向固定；轴承工作介质来源于高压水泵，该工作介质分别通过左轴承体的左供水口经左节流器、右轴承体的右供水口经过右节流器进入轴承内、并在轴承内表面和转轴轴颈间形成压力水膜来悬浮支撑转轴；所述该工作介质通过出水口回流至水箱。
进一步地，如上所述的卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，所述试验台上壳体、试验台下壳体分别通过试验台左端盖、试验台右端盖固接在一起；转轴的左右两端分别套设左轴向挡环、右轴向挡环，所述右轴向挡环、左轴向挡环分别由右轴向卡环、左轴向卡环固定，左轴向密封环、右轴向密封环分别安装在所述试验台左端盖、试验台右端盖内并由左轴向支撑环、右轴向支撑环实现轴向固定；
所述转轴在轴向分别通过右轴向挡环、左轴向挡环和左轴向密封环、右轴向密封环实现一级密封；在径向分别设置左第一密封圈、右第一密封圈、左第二密封圈、右第二密封圈实现二级密封。
进一步地，如上所述的卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，所述摩擦力矩施加装置包括：聚四氟乙烯圆盘、转轴的左端面、压力传感器、滚珠丝杠、步进电机；
所述聚四氟乙烯圆盘的右端连接压力传感器，压力传感器的另一端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠在步进电机的作用下能够直线进给，对压力传感器和聚四氟乙烯圆盘施加一定的压力，该压力通过聚四氟乙烯圆盘传递到转轴的左端面。
进一步地，如上所述的卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，所述驱动机构包括：卫星跟踪转台力矩伺服电机、角度编码器、运动控制卡；所述卫星跟踪转台力矩伺服电机和角度编码器安装在转轴的另一端，运动控制卡连接卫星跟踪转台力矩伺服电机、角度编码器实现对转轴的转动控制。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提出的一种卫星跟踪转台地面模拟试验方法及系统，基于运动行为模拟而不是运动环境模拟，抓住了卫星转台地面调试与空间运行之间的主要矛盾：轴系的摩擦力矩，克服了传统微重力环境模拟试验方法中的种种缺点。通过将轴系由极低摩擦的润滑水膜悬浮起来，将轴系摩擦力矩的控制调节集中到端面摩擦力施加装置处，大大简化了试验控制环节。
2、本发明的数字样机仿真平台能够获取空间环境中轴系的摩擦力矩，并实时施加到转台轴系上，是一种高还原度的模拟试验方法，能够较为准确地评判转台服役时的性能指标。
3、本发明提出的地面模拟试验方法原理简单，系统构建容易，相比于微重力环境模拟试验平台成本极低。
4、由于本发明中摩擦力施加装置的调节范围宽，调节方便，能够适合不同运行轨道甚至深空环境中工作的转台地面模拟试验。
附图说明
图1是本发明提出的卫星跟踪转台地面模拟试验系统。
图2是图1中摩擦力施加装置的结构原理图。
图中，1-卫星跟踪转台数字样机仿真系统，2-控制器，3-步进电机，4-滚珠丝杠，5-压力传感器，6-聚四氟乙烯圆盘，7-试验台左端盖，8-左轴向支撑环，9-试验台上壳体，10-轴承轴向左定位环，11-左轴向密封环，12-左供水口，13-左水润滑静压轴承，14-左轴承座，15-左节流器、16-左轴承体、17-转轴，18-右轴承体，19-右轴承座，20-右供水口，21-右水润滑静压轴承，22-右节流器，23-运动控制卡，24-轴承轴向右定位环，25-右第二密封圈、26-右轴向支撑环，27-右轴向密封环，28-卫星跟踪转台力矩伺服电机，29-角度编码器，30-试验台右端盖，31-右轴向卡环、32-右第一密封圈、33-右轴向挡环、34-试验台下壳体，35-试验台底座，36-出水口，37-左第一密封圈、38-左第二密封圈，39-左轴向挡环，40-左轴向卡环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
本发明提供的卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，包括：轴系机构、为轴系机构的一端提供摩擦力矩的摩擦力矩施加装置、为轴系机构提供动力的驱动机构。本发行的卫星跟踪转台地面模拟试验方法的原理在于：以运动行为模拟代替运动环境模拟。核心为在地面试验中重现空间环境运行时的摩擦力矩，进而直接获取卫星跟踪转台的性能数据。既以运动行为模拟取代运动环境模拟，在地面试验中重现空间环境运行时的摩擦力矩，进而直接获取卫星跟踪转台的性能数据。
请参照图1至图2，所述轴系机构包括：由试验台上壳体9、试验台下壳体34密封构成的壳体，在该壳体内悬浮有通过左水润滑静压轴承13、右水润滑静压轴承21支撑的转轴17，所述转轴17的两端分别伸出在壳体外；
具体地，卫星跟踪转台的转轴17由左水润滑静压轴承13、右水润滑静压轴承21支撑，取代实际转台中的滚动轴承。在转轴17的左端安装有摩擦力矩施加装置。该装置可以动态调整摩擦力矩大小，具体数值来源于卫星跟踪转台数字样机仿真系统1。转轴17的另一端安装力矩伺服电机28和角度编码器29，与实际转台保持一致。
左水润滑静压轴承13、右水润滑静压轴承21安装在试验台上壳体9、试验台下壳体34之间，试验台上壳体9、试验台下壳体34通过试验台左端盖7、试验台右端盖30固接在一起。轴承工作介质来源于高压水泵，由左供水口12、右供水口20并经左节流器15、右节流器22进入轴承内，在轴承内表面和转轴17轴颈间形成压力水膜，起到悬浮支撑转轴17的作用。在轴向，通过转轴右轴向挡环33、左轴向挡环39和左轴向密封环11、右轴向密封环27减小水介质的泄露。径向设置右第二密封圈25、右第一密封圈32、左第一密封圈37、左第二密封圈38进一步减小泄露。转轴右轴向挡环33、左轴向挡环39由右轴向卡环31、左轴向卡环40固定，左轴向密封环11、右轴向密封环27安装在试验台左端盖7、试验台右端盖30内并由左轴向支撑环8、右轴向支撑环26实现轴向固定。左水润滑静压轴承13、右水润滑静压轴承21的左轴承体16、右轴承体18安装在左轴承座14、右轴承座19中，并通过轴承轴向左定位环10、轴承轴向右定位环24实现轴向固定。整个试验台安装在基座35上，水介质通过出水口36回流至水箱。由于水的粘度极低，转轴17运动时剪切水膜所受到的阻力极小，相比于滚动轴承的机械接触方式，其对转轴17的摩擦阻力矩可以被忽略。因此，转轴17的运动阻力可视为主要来源于左端的摩擦力施加装置。
所述水润滑静压轴承支撑方式，由高压水泵经节流器进入静压轴承的浅腔，在轴承内表面与轴颈之间形成一层压力水膜，起到悬浮支撑转子的作用。由于水的粘度极低，转子运动时剪切水膜所受到的阻力极小，相比于滚动轴承的机械接触方式，其对转子的摩擦阻力矩可以被忽略。因此，转子系统的运动阻力可视为主要来自于轴端的摩擦力施加装置。
试验台左端的摩擦力矩施加装置，主体部分由聚四氟乙烯圆块6和转轴17的左端面构成。转轴17的左端面需进行精密加工，保证良好的表面精度。聚四氟乙烯圆块6的右端连接压力传感器5。压力传感器5的另一端连接滚珠丝杆4。滚珠丝杠4在步进电机3的作用下能够直线进给，对压力传感器5和聚四氟乙烯圆块6施加一定的压力。由于聚四氟乙烯圆块6和转轴17左端面之间的滑动摩擦系数稳定，记为μ。因此调节施加压力的大小即可改变施加到转轴17的摩擦力矩数值。
摩擦力矩施加装置中滚珠丝杆4的步进电机3，控制信号来源于卫星跟踪转台数字样机仿真系统1及压力传感器5。卫星跟踪转台数字样机仿真系统1基于商业动力学软件，输入真实服役环境下的微重力和温度参数，获取转轴17的摩擦力矩数值。根据摩擦系数μ换算得到应该施加到聚四氟乙烯圆块6上的压力大小，控制步进电机3驱动滚珠丝杆4，在压力传感器5反馈信号的协同作用下，到达预期位置。
所述卫星转轴另一端的力矩伺服电机和角度编码器，与真实转台的相应部件保持一致。力矩电机克服轴系受到的摩擦阻力完成预期的运动，角度编码器获取转轴实时的位置，进而判断转轴运动跟踪精度的高低。
本发明巧妙地绕开了传统微重力环境模拟方法中的种种障碍及缺陷，提出以运动行为模拟代替运动环境模拟，进而在地面试验过程中直接获取卫星转台的服役性能数据。采用摩擦力矩极小的水润滑静压轴承将转台轴系悬浮起来，基于数字样机仿真获取卫星转台服役环境中的轴系摩擦力矩特性，通过轴系一端的摩擦力矩施加装置将相应数值的摩擦力矩作用到轴系上。轴系另一端保留与真实转台结构一致的力矩伺服电机和角度编码器，研究力矩电机克服摩擦力矩的性能及轴系的运动精度。该发明是一种高还原度的卫星跟踪转台地面模拟试验方法，成本较传统微重力环境模拟方法要低很多，适合不同运行轨道甚至深空环境工作的转台模拟试验，对发展高精度转台有重要的价值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种卫星跟踪转台的地面模拟试验方法，其特征在于，包括：
获取卫星跟踪转台在真实服役环境下的微重力和温度参数；
根据所述微重力和温度参数获取转台运动轴系的摩擦力矩数值；
将所述摩擦力矩数值的相应摩擦力矩作用到轴系上，同时轴系通过驱动机构使其与真实卫星跟踪转台的相应部件运动保持一致；
通过获取驱动机构驱动轴系的参数来判断其运动跟踪精度的高低；
所述轴系通过极低摩擦的润滑水膜悬浮于密闭环境中。
2.一种卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，其特征在于，包括：轴系机构、为轴系机构的一端提供摩擦力矩的摩擦力矩施加装置、为轴系机构的另一端提供动力的驱动机构；
所述轴系机构包括：由试验台上壳体(9)、试验台下壳体(34)密封构成的壳体，在该壳体内悬浮有通过左水润滑静压轴承(13)、右水润滑静压轴承(21)支撑的转轴(17)，所述转轴(17)的两端分别伸出在壳体外；
所述左水润滑静压轴承(13)的左轴承体(16)、右水润滑静压轴承(21)的右轴承体(18)分别对应安装在左轴承座(14)、右轴承座(19)中，并分别通过轴承轴向左定位环(10)、轴承轴向右定位环(24)在所述壳体内实现轴向固定；轴承工作介质来源于高压水泵，该工作介质分别通过左轴承体(16)的左供水口(12)经左节流器(15)、右轴承体(18)的右供水口(20)经过右节流器(22)进入轴承内、并在轴承内表面和转轴(17)轴颈间形成压力水膜来悬浮支撑转轴(17)；所述工作介质通过出水口(36)回流至水箱。
3.根据权利要求2所述的卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，其特征在于，所述试验台上壳体(9)、试验台下壳体(34)分别通过试验台左端盖(7)、试验台右端盖(30)固接在一起；转轴(17)的左右两端分别套设左轴向挡环(39)、右轴向挡环(33)，所述右轴向挡环(33)、左轴向挡环(39)分别由右轴向卡环(31)、左轴向卡环(40)固定，左轴向密封环(11)、右轴向密封环(27)分别安装在所述试验台左端盖(7)、试验台右端盖(30)内并由左轴向支撑环(8)、右轴向支撑环(26)实现轴向固定；
所述转轴(17)在轴向分别通过右轴向挡环(33)、左轴向挡环(39)和左轴向密封环(11)、右轴向密封环(27)实现一级密封；在径向分别设置左第一密封圈(37)、右第一密封圈(32)、左第二密封圈(38)、右第二密封圈(25)实现二级密封。
4.根据权利要求2所述的卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，其特征在于，所述摩擦力矩施加装置包括：聚四氟乙烯圆盘(6)、转轴(17)的左端面、压力传感器(5)、滚珠丝杠(4)、步进电机(3)；
所述聚四氟乙烯圆盘(6)的右端连接压力传感器(5)，压力传感器(5)的另一端连接滚珠丝杠(4)，滚珠丝杠(4)在步进电机(3)的作用下能够直线进给，对压力传感器(5)和聚四氟乙烯圆盘(6)施加一定的压力，该压力通过聚四氟乙烯圆盘(6)传递到转轴(17)的左端面。
5.根据权利要求2所述的卫星跟踪转台的地面模拟试验装置，其特征在于，所述驱动机构包括：卫星跟踪转台力矩伺服电机(28)、角度编码器(29)、运动控制卡(23)；所述卫星跟踪转台力矩伺服电机(28)和角度编码器(29)安装在转轴(17)的另一端，运动控制卡(23)连接卫星跟踪转台力矩伺服电机(28)、角度编码器(29)实现对转轴(17)的转动控制。
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