航天器质量特性测试技术新进展

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1、第28卷第2期航天器环境工程2011年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERINGl71航天器质量特性测试技术新进展王洪鑫，徐在峰，赵科，陈勉，杜晨(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：航天器质量特性测试提供航天器轨道控制和姿态控制所需的质量特性参数，同时验证航天器结构和布局设计的合理性，为持续改进提供依据，在航天器的研制中占有重要地位．文章在对国内和欧美等航天发达国家航天器质量特性测试技术深入调研的基础上，阐述了国内外航天器质量特性技术的进展情况，重点分析了NASA哥达德空间飞

2、行中心和欧空局下属法国航天局现用航天器质量特性测试设备的构造和原理，供我国航天器质量特性测试技术人员参考。关键词：航天器；质量特性；质量特性测试中图分类号：V465；TH73文献标识码：B文章编号：1673—1379(2011)02—017卜04DoI：10．39690．issn．1673-1379．20l1．02．0140引言航天器质量特性是航天器与质量有关的一系列力学特性参数，包括质量、质心位置、相对于给定坐标系的转动惯量和惯性积，它们是描述航天器力学特性的基本同有特性参数。航天器质量特性参数在航天器研制中占有

3、重要地位。例如对于卫星、飞船、空间站的运动分析和姿态控制系统的设计，质量特性是基本的设计参数；在发射过程中运载对有效载荷的质量特性参数有一定的要求；卫星在进行轨道控制和姿态控制过程中，质量特性参数是必需的和重要的参数，其测量的准确性对卫星的控制精度和使用寿命有直接影响；对于无控飞行器(如飞船的逃逸舱)，质量特性更是决定飞行参数和稳定性的基本参数。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。1国外航天器质量特性测试技术进展欧美等航天发达国家大多采用综合测试设备对航天器质量特性

4、参数进行测量，典型的如NASA哥达德空问飞行中心使用的法国航天局使用的质心／转动惯量／惯性积三合一综合测试设备【14】和质心／转动惯量二合一综合测试设备，实现了航天器质量特性的综合测试。综合测试E使得测试过程所需时间大大减少，消除了在不同设备上设置引发的调整误差。另外，由于减少了航天器吊装、定位等操作，使航天器潜在的损毁的可能性也降至最小。1．1NASA哥达德空间飞行中心使用的质,b／转动惯量／惯性积三合一综合测试设备1．1．1构造质心／转动惯量／惯性积三合一综合测试设备由台体和控制台两部分组成。台体是机械部分，由

5、台面、球面气浮轴承、圆柱轴承、支撑环、芯轴、转动电机、卡盘和接合电机、力矩传感器、指数标定环、供气管路等组成。台体内部构造如图1所示。图1三合一综合测试设备内部构造图Fig．1Internalstructureofmasspropertiesmeasuringfacility球面气浮轴承是整套系统的核心，台面安装在球面气浮轴承上，一根经过稳定化处理的芯轴收稿日期：2010．07．08：修回日期：2010．08．02作者简介：王洪鑫(1982一)，男，主要从事航天器质量特性测试研究。联系电话：(010)6874439

6、7。航大器环境工程第28卷从球面气浮轴承上垂下。芯轴底部是用于转动惯量测量的扭杆；支撑环用于当向球面气浮轴承的供气关闭时支撑台面和安装在上面的产品。当向轴承供气的时候，支撑被降下，测量开始进行。转动电机用于驱动台体旋转来测量惯性积，电机装有离合器和制动机构，其产生的转矩可以调节。卡盘和接合电机安装在芯轴的根部，在转动惯量测量期间，卡盘和扭杆接合，台体被限制旋转。台面下方有一个气动螺线管，用于推动台面产生一个大约3。的瞬时角位移，然后螺线管缩回让台面自由扭摆。力矩传感器安装在芯轴底部附近，与球面气浮轴承支点距离已知。

7、指数标定环也安装在芯轴七，它用一排8个发光二极管、光电传感器和环上同心的指数标定孔来测定台体的角位置，也用于转动惯量扭摆刷期的测量和惯性积转速的测量。测量控制台包含电源开关、固态机械继电器、电压源、电机控制器、状态指示器和计算机等，用丁二实现台体功能控制以及获取并处理从力矩传感器和扭摆传感器传回的测量信号。计算机里安装有多功能数据采集卡和数字式输入输出卡。软件用于生成系统的图形用户界面，监控系统联动装置，获取和处理测量数据。获取的数据以Excel表格的形式输出，方便处理和产生报告。整个软件体系分级设计，有助于相关的

8、扩充和修正。1．1．2测量原理质量特性测试设备安装在台秤上，航天器安装在设备测量平台上，通过台秤测量质量。质心测量采用力复原技术与球面气浮轴承旋转中心轴相结合的方式，测量航天器在台体半标系F产生的偏心力矩，除以质量可得出台体坐标系下的质心位置；冉找出台体坐标系和航天器坐标系的关系，通过坐标转换即可得出航天器坐标系下的质心位置。转动惯量测量时，卡盘结合电机带动