氣浮軸承在航天器質量特性綜合測試設備中的應用

徐在峰，王洪鑫，趙 科

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

隨著我國航天事業的高速發展和型號任務的不斷增加，采用質量特性綜合測試設備進行航天器的質量特性測試已成為我國航天器質量特性測試設備發展的趨勢。本文重點介紹球面氣浮軸承在航天器質量特性綜合測試設備中的應用，同時對一種球面氣浮軸承進行計算流體動力學（CFD）軟件仿真計算，以期在不久的將來可以將其應用于質量特性綜合測試設備中。

1 航天器質量特性綜合測試設備簡介

所謂質量特性綜合測試設備，就是將質量、質心及轉動慣量的測試全部集成在一臺設備上，通過特定的工裝改變航天器在測試設備上的安裝位置，來實現一個坐標系下三方向質心測量和繞 3個坐標軸的轉動慣量測量。該類設備在美國空間電子公司（Space Electronics）、德國申克公司（Shenck），已有相應的產品，并在美國NASA、歐洲ESA及日本NASDA等航天機構得到了應用。國內盡管有科研院校開展了綜合測試設備的研究，但目前只有北京衛星環境工程研究所經過多年探索研制出了國內首臺航天器質量特性綜合測試設備[1-2]，并應用于型號試驗。

2 氣浮軸承在航天器質量特性綜合測試設備中的應用

航天器質量特性綜合測試設備應用兩種形式的氣浮軸承——平面氣浮軸承和球面氣浮軸承。

2.1 平面氣浮軸承在質量特性綜合測試設備中的應用

平面氣浮軸承在國內外的質量特性綜合測試設備中均得到了廣泛應用，其主要用于航天器的轉動慣量測量。由北京衛星環境工程研究所研制的我國首臺航天器質量特性綜合測試設備就應用了平面氣浮軸承進行轉動慣量的測量。此平面氣浮軸承直徑約1.5 m，采用多孔環形節流方式，共均勻分布30個節流孔，供氣壓力0.5 MPa時承載能力可達8 000 kg以上。美國空間電子公司的MP系列質量特性綜合測試設備[3]和德國申克公司的W50/M6質量特性綜合測試設備[4]也都采用了平面氣浮軸承進行轉動慣量的測量。

這類質量特性綜合測試設備測量轉動慣量的原理如圖1所示。被測試件固定在測試臺面上，上臺面與氣浮軸承中心利用圓柱氣浮軸承精確定位，上臺面通過扭桿與固定臺體連接。測量轉動慣量時，平面氣浮軸承通壓縮空氣，氣體從氣腔通過非常小的噴嘴進入氣浮軸承與上臺面之間的間隙，形成一層氣膜將試件連同上臺面浮起，建立起無（微）摩擦條件，同時驅動被測件旋轉一個小角度；在扭桿彈簧作用下，被測試件產生周期性擺動，通過精確測量試件的擺動周期從而間接計算出被測件的轉動慣量[5]。此方法被稱為氣浮扭擺法。

圖1 轉動慣量測量原理圖Fig.1 Sketch of MOI (moment of inertia) measurement

2.2 球面氣浮軸承在質量特性綜合測試設備中的應用

目前，球面氣浮軸承在我國自主研制的航天器質量特性綜合測試設備中還沒有應用，只是停留在理論研究階段。但是在國外，如美國空間電子公司的KSR系列[6]綜合測試設備中就應用了球面氣浮軸承。

球面氣浮軸承在質量特性綜合測試設備中的作用主要是進行轉動慣量的測量和質心測量。其用于轉動慣量測量的方法與上文中平面氣浮軸承的相同，都是采用氣浮扭擺法進行測量。對于質心的測量則是采用不平衡力矩法，其測量原理如圖2所示[5]。

圖2 質心測量原理圖Fig.2 Sketch of COG (center of gravity) measurement

當被測試件置于與氣浮球軸承固聯的扭擺臺面上時，若試件的質心不在球軸承的回轉中心，則在被測試件的重力作用下，氣浮球軸承間隙會發生偏移，從而產生不平衡力矩。通過力反饋傳感器可將此不平衡力矩準確測量出來，將試件質量及此不平衡力矩大小帶入力矩公式中，即能夠計算出試件的質心位置。將被測件調轉180°后再次測量其在同一個坐標平面的質心，將兩次測量結果進行平均，能夠最大限度地消除系統誤差。

3 一種球面氣浮軸承的計算

下文將對某種特定的球面氣浮軸承進行承載力等參數的仿真計算，以期在不久的將來可以將氣浮球軸承應用于我國自主研制的新型航天器質量特性綜合測試設備中，以滿足大型航天器的質量特性測試要求。

3.1 球面氣浮軸承結構及工作原理

球面氣浮軸承結構如圖3所示。一般將球面及球窩做成等半徑，當高壓氣體通過節流孔進入球軸承時，上面的球體就會沿著Oz軸向上有一微小的位移h，在球體和球窩之間形成一定的間隙，即氣膜。當壓力為Ps的氣體經節流孔流入氣膜后，孔后的壓力下降為Pd，由于球體是沿對稱軸移動的，各節流孔后的壓力必然相等。氣體從節流孔流出后，向外經θ2圓錐外邊界直接流入大氣。氣體壓力則自節流孔后方的Pd逐漸降為在邊界處的環境壓力Pa，從而形成球面氣浮軸承的承載能力[7]。

圖3 球面氣浮軸承結構原理圖Fig.3 Structure of spherical air bearing

3.2 建立計算模型

本文采用CFD分析軟件進行數值計算，所以需要先用前處理軟件對氣浮球軸承的流場建模，并生成網格。網格的類型、密度、疏密程度及局部的處理等對計算效率及精度有很大影響。由于氣體薄膜極薄（微米級），厚度尺寸和圓周尺寸相差幾千倍。為了減小計算截斷誤差，防止計算發散，在劃分網格時，主要采用六面體網格和棱錐體網格。在預期壓力和速度變化比較劇烈的供氣孔周圍采用了結構化六面體網格，并進行了局部加密。供氣孔附近網格如圖 4所示。最終的CFD分析軟件計算模型如圖5所示。

圖4 供氣孔附近的網格Fig.4 Grids around the air feed hole

圖5 CFD軟件計算模型Fig.5 Computational model for CFD (computational fluid dynamics) software

3.3 承載力計算

氣浮軸承的承載能力決定了航天器質量特性綜合測試設備的測試能力。文章首先設定了一組球面氣浮軸承的參數，如表1所示。在其他參數不變時，球軸承半徑、供氣孔徑、供氣孔個數等參數的變化均會對球軸承的承載力產生影響。而后文章采用只改變其中一個參數的方法，通過 CFD軟件仿真計算，觀察此參數的改變對承載力產生的影響，以期得到在特定條件下承載力最大的球面氣浮軸承。

表1 球面氣浮軸承的參數Table 1 Parameters of spherical air bearing

3.3.1 節流孔直徑與承載力的關系

設供氣壓力為0.5 MPa，供氣孔數為6，氣膜厚度為20 μm，球軸承半徑為300 mm，節流孔直徑由0.1 mm增加到1 mm時承載力的變化如圖6所示。由圖可見，可以通過增大節流孔直徑的方式提高球面氣浮軸承的承載能力；但是節流孔直徑不能無限制地增大，否則不但起不到節流的作用，反而會降低軸承的剛度，一般取0.6～0.8 mm為宜。

圖6 節流孔徑對承載力的影響Fig.6 The effect of pore aperture on load capability

3.3.2 球軸承半徑與承載力的關系

設供氣壓力為0.5 MPa，供氣孔數為6，節流孔直徑為0.6 mm，氣膜厚度為20 μm，球軸承半徑由300 mm增加到400 mm時承載力的變化如圖7所示。由圖可見，可以通過增大球軸承半徑的方式提高球面氣浮軸承的承載能力，但是受機械加工精度的限制：半徑越大的球面氣浮軸承加工越困難，生產成本也越高。

圖7 球軸承半徑對承載力的影響Fig.7 The effect of spherical air bearing radius on load capability

3.3.3 氣膜厚度與承載力的關系

設供氣壓力為0.5 MPa，供氣孔數為6，節流孔為直徑0.6 mm，球軸承半徑為300 mm，氣膜厚度由5 μm增加到20 μm時承載力的變化如圖8所示。由圖可見，氣膜厚度越小，承載能力越大。

圖8 氣膜厚度對承載力的影響Fig.8 The effect of gas gap on load capability

3.3.4 其他參數與承載力的關系

除上述參數外，表1中其他參數的變化也會導致承載能力的變化。仿真計算（略）表明：供氣壓力Ps的增大使承載力增大，供氣孔包角θ1增大使承載力減小，球軸承包角θ2增大使承載力增大，供氣孔個數增加使承載力增大。此外，供氣方式由單排供氣孔供氣變為雙排供氣孔供氣也會使承載力增大。

3.4 提高承載力的方法

通過以上分析可見，提高球面氣浮軸承承載力的最有效方法是增大球軸承半徑。但是機械加工能力限制了球面氣浮軸承的尺寸，使得球面氣浮軸承的半徑只能控制在某一范圍內。因此在球面氣浮軸承的半徑固定的情況下提高承載能力，可采取如下手段：1）在滿足軸承剛度要求的情況下，可以適當增大節流孔直徑；2）增加供氣孔的個數，同時可將單排供氣孔供氣的方式改為雙排供氣孔供氣；3）進行球面氣浮軸承設計時，可適當減小氣膜厚度；4）可適當提高供氣壓力，但考慮到供氣壓力Ps越高，氣錘振動失穩區域越大，故供氣壓力不可過高；5）還可以通過減小供氣孔包角θ1、增加球軸承包角θ2的方式提高承載能力。通過采取以上措施，可以保證在球軸承半徑不大于400 mm的情況下使球面氣浮軸承的承載能力提高到10 t以上。

4 結束語

隨著工業技術發展及航天器研制過程對安全性、可靠性、研制周期等要求的提高，質量特性測試設備已逐漸向綜合集成測試方面發展。同時，由于球面氣浮軸承相對于平面氣浮軸承自由度多，從而使應用球面氣浮軸承的集成測試設備結構相對簡單、集成度高。因此，球面氣浮軸承將逐漸取代平面氣浮軸承在質量特性綜合測試設備中的應用，在此類設備中扮演重要角色。

在國內，質量特性集成測試設備研制仍處于起步階段。受制造水平限制，氣浮軸承的性能相對于國外產品而言存在一定的差距。相信隨著我國制造水平的不斷提高，國產氣浮軸承的性能也會相應提高，同時借鑒國外先進的測量技術，我國的航天器質量特性綜合測試設備的性能會逐漸達到國際一流水平。

（References）

[1]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)： 11-15

Du Chen, Chen Mian.Research on new test method of mass properties of spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering, 2004, 21(3)： 11-15

[2]陳勉, 杜晨.衛星質心三軸快速測量配重新工藝[J].航天器環境工程, 2005, 22(6)： 358-360

Chen Mian, Du Chen.New technology of celerity measure satellite 3 axis centre of mass[J].Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(6)： 358-360

[3]Space Electronics LLC.MP 3000M weight center of gravity and moment of inertia measurement instrument.[EB/OL].[2008-02-17].http：//www.space- electronics .com/Literature/MP3000MMetric.pdf

[4]European Space Agency.Physical properties machines.[EB/OL].[2010-06-15].http：//www.esa.comint/esaMI/Sp ace_ Engineering/SEMHOCWOEZF_0.html

[5]Richard Boynton R, Kurt Wiener K.Mass properties measurement handbook[C]//Presentation at the Annual Conference of the Society of Allied Weight Engineers.Wichita, Kansas, 1988-05

[6]Space Electronics LLC.KSR series center of gravity and moment of inertia measurement instruments.[EB/OL].[2008-02-17].http：//www.space-electronics.com/Literatur e/KSRSeriesMetric.pdf

[7]劉暾, 劉育華, 陳世杰.靜壓氣體潤滑[M].哈爾濱工業大學出版社, 1990： 99-102