[发明专利]基于球面气浮轴承的航天器质量特性综合测试台

说明书

技术领域

本发明属于航天器总装测试技术领域，具体来说，涉及一种航天器质量特性测试的综合测试设备。

背景技术

质量特性是物体与质量有关的一系列力学特性参数。质量特性包括质量、质心位置、相对于给定坐标系的惯性矩和惯性积，是描述产品力学特性的基本固有特性参数。在航天器的研制中，需要通过试验来确定这些参数，并根据设计要求对这些参数进行必要的调整。

现有技术中，Richard Boynton在文献《A New High Accuracy Instrument for Measuring Moment of Inertia and Center of Gravity》和《A New High Speed Mass Properties Instrument》等文中公开了一种航天器质量特性综合测试设备，该设备上部是工作台，工作台支撑于气浮球轴承上，球轴承包括转子和定子两部分，定子固定于设备基体上，转子下部与空心钢管连接，空心钢管另一端与圆柱气浮轴承连接，圆柱气浮轴承通过一个力矩回复传感器固定于设备底部的基体上。空心钢管中间穿过一根弹簧扭杆，扭杆上端与工作台相连接，下端与夹钳机构连接。

但是，上述现有技术却存在以下技术问题：

1.单次只能测量一个方向质心。上述现有技术中，只采用一个力传感器用于质心测量，因此每次只能测量一个方向的质心数据。如果想测量另一方向的质心，需要将试件旋转90°，从而增加了操作风险，降低了工作效率。而在本发明中，采用了相互正交的两只力反馈传感器测量质心数据，实现了同时测量两方向质心的功能，从而降低了操作难度，提高了工作效率。

2.质心测量耗时过长。上述现有技术中，为消除质心测量的系统误差，在测量质心时，将试件绕垂直轴旋转360°，每转过120°进行一次测量，共测三次，然后通过特定算法计算出该方向质心位置。测量两方向质心则需要进行6次测量。而在本发明中，只须将试件分别在0°和180°位置进行一次测量即可得到两方向质心的位置数据，测量时间减少为原来的1/3，大大提高了工作效率。

3.核心传感器对我国技术封锁。上述现有技术中，用于质心测量的力平衡传感器，西方发达国家均对我国禁运。而目前国内所能生产的同类传感器，其量程仅为上述技术中传感器量程的1/10，无法满足测试设备的要求。而在本发明中，通过一个构思巧妙的杠杆放大器，将传感器的量程扩大了10倍，满足了测试设备的需求。

目前，国内航天器质量特性的测试设备功能大都是单一的，用质心台测量重量和质心，用扭摆台测量转动惯量，用动平衡机测量惯性积。不仅投资大，占用厂房面积大，而且为完成航天器不同的参数的测试，必须把航天器在各台设备之间反复吊装、定位，耗费大量的时间。完成航天器不同方向的测量需要更换不同形式的工装，横向测量用横向支架安装定位，纵向测量用L型支架或纵向托架安装定位，需多次吊装和翻转。

按照传统测试技术，对三轴稳定航天器进行一次完整的测试工作（不包括惯性积测量），至少要进行9次航天器吊装对接和4次航天器翻转。这一系列的操作不仅耗费大量的时间和精力，而且存在较大的安全隐患。

国内虽然有质心转动惯量综合测试台解决了测试周期长、吊装翻转次数多的问题，但是由于现有的综合台质心测量原理与传统的质心台测量原理相同，质心测量精度并没有提高，因此，对那些对质心测量精度要求高的航天器来说，目前的质量特性测量设备还不能满足要求。

发明内容

本发明所解决的技术问题是现有航天器质量特性综合测试台测量精度低下的问题，本发明人经过巧妙的构思，采用天平的测量原理重新对航天器质心转动惯量综合测试台进行设计和改进，显著地提高了质心测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于球面气浮轴承的航天器质量特性综合测试台，由机械系统和测量系统两部分组成，机械系统主要包括工作台、球面气浮轴承、扭杆弹簧、扭摆驱动装置、力臂加长杆、圆柱气浮轴承、扭摆锁紧装置、力矩平衡装置、气浮云台，工作台为圆形台面，与气浮球上部通过阶梯状连接板连接起来并提供与测试工装连接的接口以承担测试载荷，扭杆弹簧上端与工作台下方的阶梯状连接板底部连接，而下端与扭摆锁紧装置连接，其中，质心测量时，扭杆弹簧与扭摆锁紧装置脱开，使气浮球轴承处于自由状态；转动惯量测量时，扭杆弹簧与扭摆锁紧装置锁紧，使气浮球轴承与地基连接，通过测量扭杆弹簧在无阻尼环境下的扭摆周期得出被测试件的转动惯量；