X-38飛行器質量特性測量方法

陳永強 周曉麗 康 軍 穆星科 譚 玨

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X-38飛行器質量特性測量方法

陳永強 周曉麗 康 軍 穆星科 譚 玨

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076）

質量、質心和轉動慣量是再入類飛行器的重要參數，其測量精度對飛行器控制至關重要。詳細介紹并對比分析了X-38飛行器質量特性測量方法，測量結果表明：采用三點法c質量和三個方向質心位置，采用單點懸掛法和彈簧工作臺可以準確測量三個方向的轉動慣量。X-38飛行器的質量特性測量方法對于類似的再入飛行器質量特性測量具有很好的參考意義。

X-38；質量特性；測量方法

1 引言

X-38項目開始于1995年，目的是為國際空間站宇航員返回的飛行器（CRV）發展技術。X-38機長7.31m，機高2.22m，翼展3.81m，其外形借鑒了早期美國空軍X-24A等升力體的設計，為標志性的鈍頭錐無主翼形體。X-38共制造了四架大氣試驗飛行器（201、131（131-R）、132、201），進行了20次（12次掛載，8次投放）飛行測試，其中投放試驗由B-52運輸機進行掛載。

飛行器的質量、質心和轉動慣量是飛行器的重要參數，需要進行準確的測量。對X-38而言，試驗飛行器不同技術狀態以及飛行器外部安裝的熱防護系統對飛行器質量特性的測量提出了很高的挑戰，X-38試驗飛行器總計有30項主要的測量試驗。本文通過對X-38飛行器質量特性測量方法進行闡述，以此為類似飛行器相關的質量特性測量提供參考。

2 X-38質量質心測量

X-38飛行器坐標系統定義見圖1。X-38飛行器質量特性參數說明如下：X、Y、Z表示X-38飛行器質心、、軸位置；I、I、I表示X-38飛行器繞、、軸轉動慣量。

圖1 坐標系定義

2.1 三測壓元件測量方法

該方法通過在X-38飛行器上設置三個支撐點（一個在機頭，兩個在機身副翼前面），確定飛行器和支撐點之間壓縮測壓元件的位置（測壓元件在支撐點上方）。三個測壓元件載荷之和為飛行器重量，加上力矩以計算X和Y。圖2為該試驗的受力簡圖，該方法有兩點需要注意：三個支撐點的位置須精確測量；確保未在測壓元件上引入側向載荷，飛行器必須水平，保持無俯仰、無滾轉。

圖2 重量和平衡受力簡圖

2.2 三點懸掛法

三點懸掛法可以測量飛行器的總質量和質心。飛行器懸掛處于水平方向，三個測壓元件之和即為飛行器總質量，力矩之和可計算X和Y。測量機頭不同的抬起與低頭高度（見圖3），可計算Z。總質量和X和Y的計算公式與式（1）、式（2）和式（3）相同，Z計算公式如下：

A、B和C定義見圖3，其中：B=Xcg×cosα－Zcg×sinα，在X-38飛行器的測量中，α=15°。

2.3 采用配重的單點懸掛法

該方法主要是測量Z，將飛行器吊起，在水平狀態，無傾角和滾轉，配重塊掛在飛機尾部。測量時每次增加一個已知重量的配重塊，測量飛行器相應俯仰角的變化量（見圖4）。通過配重重量變化導致俯仰角改變的測量結果可計算飛行器Z。測量時，飛行器俯仰角的變化通過機載慣性導航系統測得。

圖4 帶配重塊的單點懸掛法幾何圖

2.4 多吊點的單點懸掛法

該方法主要是測量Z，通過采用帶三個孔的吊裝工裝對飛行器進行測量。采用吊裝工裝測量時：吊裝其中心孔時，飛行器處于水平狀態；吊裝點位于工裝的前孔時，飛行器將機頭朝上傾斜；相反，吊裝點位于工裝的后孔時，機頭將朝下傾斜，見圖5。

式中各符號定義見圖5。

圖5 多吊點的單點懸掛法的幾何圖

2.5 方法比較

X-38飛行器的測量試驗結果表明，三點法（包括三點懸掛法和三測壓元件測量法）的重量與平衡試驗結果最好。采用配重的單點懸掛法測量時，飛行器在接近水平狀態用單個測壓元件吊起，確定其重量，在飛行器上添加已知重量，用以平衡其俯仰和滾轉，一旦重量的位置測得，可計算出X和Y，但是由于誤差源被帶入到試驗中，該方法不如傳統三點系統法精確。此外，該方法的平衡重量精確位置很難測量，在單點懸掛時，飛行器處于俯仰和滾轉的完全水平狀態亦很難做到。X-38飛行器的試驗結果表明，精確地測量Z被證明異常困難，俯仰角的精確測量可通過機載慣性導航系統獲得，三點懸掛法是確定Z的最佳方法。

3 X-38轉動慣量測量

3.1 雙線擺測量Izz

在本方法中，飛行器被纜繩連接到兩彈簧上，呈雙線擺型（見圖6），加載一耦合載荷于飛行器的機頭和機尾。這樣做的目的是在不引入滾轉和俯仰的情況下，提供偏航力矩。

其中：m為飛行器質量；T為周期；g為重力加速度常數；d和L見圖6。

3.2 單點懸掛法測量Izz和Ixz。

本測量試驗布局圖見圖7。飛行器通過單點吊裝工裝吊起，飛行器底部裝上剛性梁。彈簧連接到落地支架上和水平梁上，地面支架有不同垂直高度，使得可為試驗提供不同彈簧角度。彈簧夾角角度改變通過前后支柱的不同高度的孔實現。

圖7 測量Izz和Ixz的布局圖

為獲得I和I，飛行器必須在多個彈簧方向測量。彈簧使得飛行器繞偏航軸振動。如果I不為零，當彈簧作用面水平時，彈簧會導致飛行器在滾轉和俯仰方向振動。彈簧作用在飛行器上的面在俯仰方向一直變化，直到沒有滾轉振動。在該角度下可計算得到I和I。

其中：為偏航振動頻率；為2倍飛行器中心與彈簧支點距離；0為滾轉速率與偏航速率比值為零時彈簧角；為四個彈簧常數。

3.3 彈簧工作臺測量Ixx和Iyy

圖8為測量I和I方法的示意圖。該方法在工作臺的質心區域采用刀口支撐，兩端采用彈簧支撐。飛行器放在工作臺上，質心在刀口的上方。飛行器由于彈簧的作用可以前后振動。慣性可由校準彈簧和振動時間求得。如果刀口在X的下方，飛行器俯仰振動，可確定I。如果刀口在Y下方，飛行器滾轉振動，可確定I。飛行器和工作臺布置允許振動50～100個周期。飛行器從工作臺上移走，對工作臺和彈簧重復上述實驗。本方法中，測量工作臺自身慣性要求去除飛行器對慣性的貢獻。

圖8 測量Ixx和Iyy試驗布置圖

控制振動頻率的基本方程：

其中：1為總的左邊/前邊彈簧常數；2為總的右邊/后邊彈性常數；為彈簧力臂長度；W為支架重量；H為支架離刀口高度；W為飛行器重量；H為飛行器離刀口高度；I為關于刀口的慣量。

式（11）可以求I：

為獲得飛行器關于自身質心的慣量，采用下式：

其中：I為支架刀口的慣量；m為飛行器質量。

當刀口位于X之下，I可取代I，因為俯仰慣量可以測得。反之，如果刀口位于Y之下，滾轉慣量可以測得，I可取代I。

3.4 動態慣性法（DIM）

DIM法由辛辛那提大學提出，可確定所有質量特性張量。該方法采用動態力作用在物體上，測量其剛體加速度；3個6自由度（DOF）測壓元件用來測量所有作用在飛行器上的力和力矩，包括支持力；一批線性加速度計用來測量飛行器的6 DOF加速度。在本方法中，必須知道飛行器的彎曲模態，這樣可以在結果數據中將彎曲模態過濾出來。

飛行器可在三個支撐點采用氣動隔振器隔開軟性支持和飛行器支撐點，采用電磁振動器或沖擊錘對飛行器施加力，根據牛頓第二定律（=），質量特性可由測量的作用力和加速度導出。該方法在X-38 132-R號飛行器進行了試驗，并與傳統質量特性試驗方法得到的結果對比。結果表明，測量精度優于其他方法。本方法優點在于可不使用所有傳統質量特性試驗所需要的吊裝和工裝。

4 結束語

X-38飛行器對質量特性共進行了30項主要測試項目，有效地獲取了高精度的質量特性參數，其測量方法具有一定的代表性和普適性。對于再入飛行器而言，質量、質心和轉動慣量是非常重要的參數，但是由于存在加工制造、裝配等誤差，飛行器的質量、質心和轉動慣量真實值與設計值存在差異，需要進行測量以修正設計參數。通過對X-38飛行器質量特性測量方法的分析，X-38所采用的質量特性測量方法對相關飛行器的質量特性測量具有很好的參考價值：

a. 采用三點法可以準確測量到被測量對象的質量和三個方向質心位置；

b. 采用單點懸掛法和彈簧工作臺可以準確測量飛行器三個方向的轉動慣量；

c. DIM方法與測量對象的模態有很大關系，且需要過濾模態數據，對于一些尺寸較大的測量對象，其測量方法并不成熟。

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Measurement Method for Mass Properties of X-38 Vehicle

Chen Yongqiang Zhou Xiaoli Kang Jun Mu Xingke Tan Jue

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center, Beijing 100076)

The important parameters of aerospace vehicle include mass, centroid and moment of inertia, etc. The measurement precision of these parameters is vital for the vehicle control. This paper detailedly described the mass, centroid and moment of inertia measurement of X-38 vehicle, and analyzed these different measurement methods. The measurement results show that applying three-point method can accurately measure the mass and center of gravity, and single-point suspension and spring table can accurately measure three inertia of the vehicle. Finally, these methods that were applied for the X-38 vehicle have a very good significance to the mass properties measurement of other similar aerospace vehicles.

X-38；mass properties；measurement method

陳永強（1977），高級工程師，機械設計專業；研究方向：結構總體設計。

2018-03-04