CN110095241B - 分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微振动传递及多体动力学领域内的分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，包括如下步骤：步骤1，平台舱微振动模拟：根据卫星实际振动量级和振动频率范围，利用直线型音圈电机驱动平台舱运动模拟微振动；步骤2，***基频测定：在平台舱一侧利用直线电机施加已知的振动加速度激励，载荷舱上安装光纤陀螺和线加速度计，测量载荷舱的响应，根据载荷舱响应确定***基频；步骤3，线缆刚度解算；步骤4，确定线缆最优选型与布局。本发明可以实现线缆刚度的精确测定，而且所用的到设备都是航天领域常见设备，易于实现，准确的线缆刚度测定为***动力学建模与控制器设计提供依据，为分离式航天器双超指标的实现提供支持。

Description

分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法
技术领域
本发明涉及微振动传递、多体动力学等领域，特别涉及一种分离式航天器舱间线缆刚度测定方法。结果可以用于分离式航天器动力学建模、控制器设计。同时该试验分析方法同样可以用于其它领域线缆连接的影响分析。
背景技术
利用非接触磁浮作动器互相作用的分离式航天器，通过物理隔离平台舱振动向载荷舱传递的路径，可以实现载荷舱超高指向精度超高稳定度。舱间柔性连接线缆对载荷舱“双超”指标的实现有很大影响。分离式航天器舱间连接线缆通常比较短，而且在轨由于限位保护，两端相对位移较小，目前国内外研究中均将其等效为弹簧模型。因此其对载荷舱传递的干扰力和力矩与线缆的等效刚度以及两端的相对位移有关。
通常刚度测定试验是通过在连接体一端施加一定的力使其产生位移S，根据力和位移的比值确定刚度。但是这种力除以位移的方法一般适用于刚度较大的杆梁等情况。另外一种比较常用的方法是将线缆一段连接至六维力传感器，另一端运动指定位移，根据测得力和位移确定刚度。这种方法用在刚度比较大的线缆的刚度测定，而且六维力传感器通常精度较差，难以精确测定微小的扰动力。在超高精度和超高稳定度要求的航天器上要求线缆尽可能的柔，以减小对载荷舱的影响。柔性线缆具有较为复杂的动力学特性，因此力除以位移的方法用在柔性线缆刚度测定上会有较大的误差。在要求超高精度和超高稳定度航天器中的柔性线缆上以及其他精密领域不再适用。
经对现有技术的检索，中国实用新型专利CN201720531587.8，发明名称为一种航天器中使用的线缆，包括固定基座(5)和装配盒(8)，其特征在于：所述装配盒(8)固定安装在固定基座(5)上方，所述固定基座(5)上设置有螺纹孔(6)，所述装配盒(8)内固定安装有固定板(9)，所述固定板(9)与装配盒(8)间设置有滑槽(3)，所述滑槽(3)内部设置有滚轮(10)，所述装配盒(8)上方安装有上盖(1)，所述上盖(1)与装配盒(8)间通过转轴(7)转动连接，所述上盖(1)与装配盒(8)间设置有线缆盘(2)，所述线缆盘(2)上缠绕有线缆(4)。该航天器中使用的线缆，通过上盖的设计，在线缆的使用过程中，能够对线缆进行保护，防止线缆受损；通过滑槽和滚轮的设计，在线缆的使用过程中，线缆盘在滑槽内部转动，使得线缆的铺设方便快捷等等。但却不能准确测定舱间线缆刚度并给出线缆选型和布局优选方案，也就不可以为建立分离式航天器精确动力学模型和控制方案设计提供支撑。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法。本发明可以实现线缆刚度的精确测定，而且所用的到设备都是航天领域常见设备，易于实现，同时准确的线缆刚度测定为***动力学建模与控制器设计提供依据，为分离式航天器双超指标的实现提供支持。
本发明涉及一种分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，包括如下步骤：
步骤1，平台舱微振动模拟：根据卫星实际振动量级和振动频率范围，利用直线型音圈电机驱动平台舱运动模拟微振动；
步骤2，***基频测定：在平台舱一侧利用直线电机施加已知的振动加速度激励，载荷舱上安装光纤陀螺和线加速度计，以测量载荷舱的响应，根据载荷舱响应确定***基频；
步骤3，线缆刚度解算：通过建立***传递函数，分析***谐振频率与线缆刚度的函数关系，解算线缆刚度；
步骤4，确定线缆最优选型与布局：改变不同线缆选型和布局方式，利用上述方法确定连接线缆等效刚度，确定出最优选型和布局方式。
优选的，所述步骤1中，利用高精度音圈型直线电机驱动平台舱来模拟微振动，通过改变音圈电机输出力的大小与频率实现微振动不同振幅与频率的模拟。
优选的，平台舱微振动模拟时仅需要对低频段进行模拟，即可以达到刚度测定目的。
优选的，所述步骤2中，将载荷舱放置在光滑气浮平台上，使得载荷舱受到摩擦力影响很小。
优选的，所述步骤2中，通过振幅不变，依次从高频到低频改变振源振动频率，测量所述载荷舱响应，并根据测得的所述载荷舱响应情况，确定***自然频率。
优选的，所述步骤3中，通过测定***基频计算线缆刚度。
优选的，所述平台舱和所述载荷舱组成卫星平台，所述平台舱和所述载荷舱通过磁浮机构连接。
优选的，所述平台舱与所述载荷舱两舱之间除线缆之外无其它连接。
优选的，所述平台舱与所述载荷舱通过细线悬吊法消除舱间连接线缆的影响。
优选的，线缆刚度测定以及线缆选型过程试验中，所述载荷舱和所述平台舱二者质量特性与真实卫星的一致性无要求。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、载荷舱无活动部件，易于双超指标的实现；
2、平台舱和荷舱组成，两舱通过磁浮机构的非接触连接避免了平台舱的振动传递到载荷舱；
3、能够准确测定舱间线缆刚度并给出线缆选型和布局优选方案，可以为建立分离式航天器精确动力学模型和控制方案设计提供支撑。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
附图1为本发明的分离式航天器舱间柔性线缆刚度测定方法流程示意图以及***连接示意图；
附图2为本发明的分离式航天器舱间柔性线缆刚度测定方法***连接示意图；
附图3为平台舱线振动对应的力U传递给载荷舱的干扰力F的传递函数的建立示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本方法利用高带宽高精度的音圈电机驱动平台舱实现微振动的模拟，载荷舱安装加速度计和光纤陀螺等高精度高带宽的测量仪器，精确测定载荷舱的振动响应。调整音圈电机的输出实现扫频输出确定***谐振频率。理论推导确定***传递函数，分析线缆刚度与***基频的函数关系，进而确定线缆刚度。
下面结合图1、图2以及事例说明本发明的具体实施方式。内容包括4个部分，分别为：平台舱微振动模拟、***基频测定、线缆刚度解算、确定线缆最优选型与布局。
步骤1，平台舱微振动模拟。根据卫星实际在轨微振动量级与频率范围，利用直线型音圈电机驱动平台舱运动模拟微振动。选取峰值推力能够满足最大振动加速度要求、行程能够满足振幅要求、动作频率能够覆盖***自然频率两倍以上的音圈电机。
某试验卫星载荷舱10kg，平台舱40kg，星上线缆刚度不超过200N/m(线缆刚度越大，***自然频率越高)。根据公式
Figure GDA0003513263870000041
得自然频率f＝0.8Hz，因此实际自然频率低于0.8Hz，因此音圈电机动作频率范围大于1.6Hz即可。线缆连接处振幅不超过2mm，根据振动位移幅值、振动频率与振动加速度幅值的关系可以计算得到音圈电机峰值推力需要大于81N。根据动作频率、振幅、峰值推力确定电机选型。
电机选型确定后，将平台舱电机固连，使其随电机运动模拟振动效果。
步骤2，***基频测定。
步骤2-1：***连接与配置方案确定。将载荷舱放置气浮平台上，使得载荷舱受到摩擦力影响很小(气浮平台是以气体为润滑剂的一种静压支撑，气体的粘性系数为普通润滑油的1/1000，摩擦也是1/1000。因此，气体静压支撑的摩擦力极小。故此方案在研究平台舱的振动对载荷舱的影响时，可忽略载荷舱与平台之间的摩擦力影响)。两舱之间除线缆之外无其他连接。载荷舱上安装光纤陀螺和线加速度计，以测量载荷舱的响应。
步骤2-2：振源按一定频率一定幅值振动，测定载荷舱响应。在平台舱一侧利用直线电机施加已知的振动加速度激励，线加速度测量线缆传递的扰动引起载荷舱平动情况，光纤陀螺测量扰动引起的转动情况。
步骤2-3：振幅不变，依次从高频到低频改变振源振动频率，测量载荷舱响应。根据测得的载荷舱响应情况，确定***自然频率。
步骤3，线缆刚度解算。
步骤3-1：通过建立***传递函数，平台舱质量m1，载荷舱质量m2，对应线缆刚度k。平台舱线振动对应的力为输入U，线缆传递给载荷舱的干扰力F为输出y，建立***传递函数为
Figure GDA0003513263870000051
步骤3-2：解算线缆刚度。分析***谐振频率与线缆刚度的函数关系，确定出线缆刚度。***传递函数等效为
Figure GDA0003513263870000052
无阻尼二阶***，***自然频率
Figure GDA0003513263870000053
Figure GDA0003513263870000054
因此
Figure GDA0003513263870000055
试验得到***自然频率，根据上述公式可以计算得到线缆刚度。
步骤4，确定线缆最优选型与布局。对所有备选连接线缆以及线缆备选布局构型进行排列组合，依次利用上述方法确定连接线缆等效刚度，优选出不同线缆规格和布局方案，为动力学建模和控制***设计提供输入，为双超指标实现提供支撑。
为了达到上述目的，本发明的一种分离式航天器舱间柔性线缆高精度测定和线缆规格与布局选型方法，其基本原理是对于典型二阶***，传递函数为
Figure GDA0003513263870000056
其自然频率为ωn。本发明通过高精度扫频振动输入确定***自然频率。建立***传递函数测出线缆刚度与自然频率关系。依次针对不同可用选型进行试验，确定出最小刚度配置。以上是对本发明“一种分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法”的步骤说明，本发明能够准确测定舱间线缆刚度并给出线缆选型和布局优选方案，可以为建立分离式航天器精确动力学模型和控制方案设计提供支撑。同时，该方法也适用于其他领域的近距离二体线缆连接情况。
综上所述，本发明可以实现线缆刚度的精确测定，而且所用的到设备都是航天领域常见设备，易于实现，同时准确的线缆刚度测定为***动力学建模与控制器设计提供依据，为分离式航天器双超指标的实现提供支持。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，平台舱微振动模拟：根据卫星实际振动量级和振动频率范围，利用直线型音圈电机驱动平台舱运动模拟微振动；
步骤2，***基频测定：在平台舱一侧利用直线电机施加已知的振动加速度激励，载荷舱上安装光纤陀螺和线加速度计，以测量载荷舱的响应，根据载荷舱响应确定***基频；
步骤3，线缆刚度解算：通过建立***传递函数，分析***谐振频率与线缆刚度的函数关系，解算线缆刚度；
步骤4，确定线缆最优选型与布局：改变不同线缆选型和布局方式，利用上述方法确定连接线缆等效刚度，确定出最优选型和布局方式；
所述步骤2中，将载荷舱放置在光滑气浮平台上，使得载荷舱受到摩擦力影响很小；
所述步骤2中，通过振幅不变，依次从高频到低频改变振源振动频率，测量所述载荷舱响应，并根据测得的所述载荷舱响应情况，确定***自然频率；
所述步骤3中，通过测定***基频计算线缆刚度；
所述步骤3，线缆刚度解算为：
步骤3-1：通过建立***传递函数，平台舱质量m1，载荷舱质量m2，对应线缆刚度k，平台舱线振动对应的力为输入U，线缆传递给载荷舱的干扰力F为输出y，建立***传递函数为
Figure FDA0003513263860000011
步骤3-2：解算线缆刚度，分析***谐振频率与线缆刚度的函数关系，确定出线缆刚度，***传递函数等效为
Figure FDA0003513263860000012
无阻尼二阶***，***自然频率
Figure FDA0003513263860000013
Figure FDA0003513263860000014
因此
Figure FDA0003513263860000015
试验得到***自然频率f，根据上述公式可以计算得到线缆刚度；
所述步骤4中，对所有备选连接线缆以及线缆备选布局构型进行排列组合，依次利用上述方法确定连接线缆等效刚度，优选出不同线缆规格和布局方案，为动力学建模和控制***设计提供输入，为双超指标实现提供支撑。
2.根据权利要求1所述的分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，其特征是，所述步骤1中，利用高精度音圈型直线电机驱动平台舱来模拟微振动，通过改变音圈电机输出力的大小与频率实现微振动不同振幅与频率的模拟。
3.根据权利要求2所述的分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，其特征是，平台舱微振动模拟时仅需要对低频段进行模拟，即可以达到刚度测定目的。
4.根据权利要求1所述的分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，其特征是，所述平台舱和所述载荷舱组成卫星平台，所述平台舱和所述载荷舱通过磁浮机构连接。
5.根据权利要求1所述的分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，其特征是，所述平台舱与所述载荷舱两舱之间除线缆之外无其它连接。
6.根据权利要求5所述的分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，其特征是，所述平台舱与所述载荷舱通过细线悬吊法消除舱间连接线缆的影响。
7.根据权利要求1所述的分离式航天器舱间线缆刚度试验测定方法，其特征是，线缆刚度测定以及线缆选型过程试验中，所述载荷舱和所述平台舱二者质量特性与真实卫星的一致性无要求。
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