航天器質量特性測試技術新進展

王洪鑫，徐在峰，趙 科，陳 勉，杜 晨

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器質量特性是航天器與質量有關的一系列力學特性參數，包括質量、質心位置、相對于給定坐標系的轉動慣量和慣性積，它們是描述航天器力學特性的基本固有特性參數。

航天器質量特性參數在航天器研制中占有重要地位。例如對于衛星、飛船、空間站的運動分析和姿態控制系統的設計，質量特性是基本的設計參數；在發射過程中運載對有效載荷的質量特性參數有一定的要求；衛星在進行軌道控制和姿態控制過程中，質量特性參數是必需的和重要的參數，其測量的準確性對衛星的控制精度和使用壽命有直接影響；對于無控飛行器（如飛船的逃逸艙），質量特性更是決定飛行參數和穩定性的基本參數。在航天器的研制中，需要通過試驗來確定這些參數，并根據設計要求對這些參數進行必要的調整。

1 國外航天器質量特性測試技術進展

歐美等航天發達國家大多采用綜合測試設備對航天器質量特性參數進行測量，典型的如NASA哥達德空間飛行中心使用的法國航天局使用的質心/轉動慣量/慣性積三合一綜合測試設備[1-4]和質心/轉動慣量二合一綜合測試設備，實現了航天器質量特性的綜合測試。綜合測試E使得測試過程所需時間大大減少，消除了在不同設備上設置引發的調整誤差。另外，由于減少了航天器吊裝、定位等操作，使航天器潛在的損毀的可能性也降至最小。

1.1 NASA哥達德空間飛行中心使用的質心/轉動慣量/慣性積三合一綜合測試設備

1.1.1 構造

質心/轉動慣量/慣性積三合一綜合測試設備由臺體和控制臺兩部分組成。臺體是機械部分，由臺面、球面氣浮軸承、圓柱軸承、支撐環、芯軸、轉動電機、卡盤和接合電機、力矩傳感器、指數標定環、供氣管路等組成。臺體內部構造如圖1所示。

圖1 三合一綜合測試設備內部構造圖Fig. 1 Internal structure of mass properties measuring facility

球面氣浮軸承是整套系統的核心，臺面安裝在球面氣浮軸承上，一根經過穩定化處理的芯軸從球面氣浮軸承上垂下。芯軸底部是用于轉動慣量測量的扭桿；支撐環用于當向球面氣浮軸承的供氣關閉時支撐臺面和安裝在上面的產品。當向軸承供氣的時候，支撐被降下，測量開始進行。轉動電機用于驅動臺體旋轉來測量慣性積，電機裝有離合器和制動機構，其產生的轉矩可以調節。卡盤和接合電機安裝在芯軸的根部，在轉動慣量測量期間，卡盤和扭桿接合，臺體被限制旋轉。臺面下方有一個氣動螺線管，用于推動臺面產生一個大約3°的瞬時角位移，然后螺線管縮回讓臺面自由扭擺。力矩傳感器安裝在芯軸底部附近，與球面氣浮軸承支點距離已知。指數標定環也安裝在芯軸上，它用一排 8個發光二極管、光電傳感器和環上同心的指數標定孔來測定臺體的角位置，也用于轉動慣量扭擺周期的測量和慣性積轉速的測量。

測量控制臺包含電源開關、固態機械繼電器、電壓源、電機控制器、狀態指示器和計算機等，用于實現臺體功能控制以及獲取并處理從力矩傳感器和扭擺傳感器傳回的測量信號。計算機里安裝有多功能數據采集卡和數字式輸入輸出卡。軟件用于生成系統的圖形用戶界面，監控系統聯動裝置，獲取和處理測量數據。獲取的數據以Excel表格的形式輸出，方便處理和產生報告。整個軟件體系分級設計，有助于相關的擴充和修正。

1.1.2 測量原理

質量特性測試設備安裝在臺秤上，航天器安裝在設備測量平臺上，通過臺秤測量質量。

質心測量采用力復原技術與球面氣浮軸承旋轉中心軸相結合的方式，測量航天器在臺體坐標系下產生的偏心力矩，除以質量可得出臺體坐標系下的質心位置；再找出臺體坐標系和航天器坐標系的關系，通過坐標轉換即可得出航天器坐標系下的質心位置。

轉動慣量測量時，卡盤結合電機帶動卡盤與扭桿在臺體底部接合，臺體轉換成一個扭擺，這一轉換是自動完成的。給臺體一個小的角位移，然后釋放讓其自由振蕩。傳感器測量振蕩周期并計算負載的轉動慣量：

式中：K為測試系統剛度系數；It為空載時設備的轉動慣量；m為負載的質量；d為臺體坐標系下負載的質心與原點的距離。

慣性積測量時，電機驅動臺體到達某一指定轉速，然后讓其自由旋轉。兩個獨立的測力器分別測量球面氣浮軸承和圓柱軸承兩個軸承組件上的平衡力。這些力是通過航天器的質心向下作用的重力和航天器質量分布結果向外作用的離心力兩者的組合。慣性積值按照由

計算，式中：D為動態測量力矩，包括靜態力矩；S為計算出的靜態力矩；g為重力加速度；ω為轉動角速度。

1.2 法國航天局使用的質心/轉動慣量二合一測試設備

質心/轉動慣量二合一綜合測試設備配合坐標轉換裝置能通過對航天器一次裝卡，完成質量、3個方向質心和繞3條軸轉動慣量及慣性積的測量。

1.2.1 構造

該設備由質心測量部分和慣量測量部分合并而成。質心測量部分可為機械天平式或三點測力式[5]。機械天平式優點是結構簡單，可靠性高，測量精度穩定；缺點是設備靈敏度不高，測量精度也不很高。三點測力式質心臺量程寬，測量精度高，能滿足各類航天器質心測量要求。

三點測力式質心測量部分由測量平臺、測力傳感器、支承、調節裝置和保護裝置等組成。平臺中心有定位接口，可與夾具連接。平臺下方同一圓周上均布 3個測力支承點，支承下置有測力傳感器。保護裝置用于裝卸試件時保護測量支承和測力傳感器，調節裝置用于調節平臺的水平度。

轉動慣量測量部分采用扭擺裝置，由平面氣浮軸承、扭簧、電磁換向閥、氣缸、扭擺傳感器等組成。氣浮軸承轉臺具有阻尼小的優點，適用于從小到大各種載荷的試件，缺點是抗偏心力矩的能力較弱。扭簧呈十字狀，用于帶動轉臺自由扭擺。電磁換向閥用于驅動臺體產生角位移。扭擺傳感器用于測量扭擺周期。

1.2.2 測量原理

質心測量基于三點測力原理：3個測力傳感器處在半徑為 R的同一圓周上，相隔 120°均勻分布；3個傳感器測得力P1、P2、P3，質心坐標由靜力平衡和靜力矩平衡推導得出，測量原理如圖 2所示。質心坐標為

圖2 質心測量原理圖Fig. 2 Principle of measuring center of gravity

轉動慣量測試時，電磁換向閥控制氣缸使臺體產生一個小的角位移，然后釋放讓其自由扭擺，通過測量扭擺周期得出轉動慣量。平面氣浮扭擺臺測量原理如圖3所示。

圖3 平面氣浮扭擺臺測量原理圖Fig.3 The principle of measuring moment of inertia by plane gas table

設扭擺角為θ，轉臺轉動慣量為I，空氣阻力系數為F，扭桿剛度系數為K，扭桿與夾具之間的摩擦力矩為Tr，則扭擺臺的的振動方程為

即

推導出轉動慣量的計算公式為

2 國內航天器質量特性測試技術進展

我國航天領域對航天器質量特性測試多年來一直采用傳統的測試技術，即用質心臺測量質心，用扭擺臺測量轉動慣量，動平衡機測量慣性積[6]。經過長期工程實踐的改進和完善，傳統的測試技術已經成熟，測量的精度和可靠性都達到了較高的水平。但傳統的測試技術存在很大的局限性，測試設備功能的單一決定了完成航天器各項不同參數的測量需要使用多臺測試設備，航天器在各臺設備之間的反復吊裝、定位耗費了大量的時間，也給航天器和工作人員帶來安全隱患。

北京衛星工程環境研究所有關技術人員結合國內航天器測試和制造水平現狀，自主研制出一臺集質量、質心和轉動慣量測試功能于一體的綜合測試設備和一套配合綜合測試設備使用的坐標轉換裝置，用于某類特定航天器的質量特性測試，實現了對航天器一次裝卡完成質量、3個方向質心和繞 3條軸轉動慣量以及慣性積的測試，有效地提高了測試效率，減少了安全隱患[7]。

3 結束語

航天器質量特性綜合測試技術能夠有效提高航天器質量特性測試效率，最大限度消除航天器反復吊裝、定位等操作給航天器和工作人員帶來的安全隱患，是航天器質量特性測試技術的發展方向。我國航天器質量特性測試技術人員應結合國內航天器質量特性測試和制造水平現狀，借鑒歐美等航天發達國家航天器質量特性綜合測試技術，不斷改進現有設備，研發新型設備，滿足我國日益增長的航天器質量特性測試需要。

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[1] Ross B P, McLeod C. Upgrade of the Goddard Space Flight Center’s mass properties measuring facility[C]// Proceedings of the 23rdSpace Simulation Conference. Annapolis, MD, USA, 2004

[2] Reid A, Hull, John L, et al. Computer program for determining mass properties of a rigid structure, NASA TM 78681[R]

[3] Huntsville S. Research and development in the field of physical determination of mass properties, NAS8-11314[R]

[4] Hahn H, Niebergall M. Development of a measurement robot for identifying all Inertia parameters of a rigid body in a single experiment[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2001, 9(2)

[5] 汪繁榮, 陳勉, 汪全芳. 質心測量平臺的研究與設計[C]//全國先進制造技術高層論壇暨制造業自動化、信息化技術研討會論文集. 貴陽: 中國機械工程學會, 2005: 295-297

[6] QJ 2258A—2001, 航天器質量特性測試方法[S], 2001-11-15

[7] 杜晨, 陳勉. 衛星質量特性測試新方法研究[J]. 航天器環境工程, 2004, 21(3): 11

Du Chen, Chen Mian. Research on new test method of mass properties of spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2004, 21(3): 11