[发明专利]卫星在轨自由边界条件模拟装置

说明书

技术领域

本发明属于卫星动力学试验技术领域，具体涉及一种卫星在轨自由边界条件的地面模拟装置。

背景技术

自由边界条件是卫星等航天器在轨道飞行时所处的力学边界条件，在卫星等航天器的地面研制过程中，为获取卫星在轨飞行时的结构动力学特性，并验证卫星在轨飞行执行任务时的高精度技术指标和可靠性，必须在地面对卫星进行模态试验和微振动试验等动力学试验。当在地面对卫星进行试验时，需要模拟卫星在轨飞行时的自由边界条件，理想情况是在支撑卫星重量的同时，不对卫星施加任何约束力，也就是使卫星在空中处于自由悬浮状态，然而，地面为有重力的环境，这种理想的自由边界条件无法在地面实现，需要采用近似的方法来实现卫星在轨飞行时自由边界条件的模拟。

国外对自由边界条件模拟方法的研究比较早，20世纪70年代美国国家航空航天局(NASA)在对无人飞机进行振动测试时，利用橡皮绳和吊车对无人飞机进行悬吊，以模拟飞机飞行时的自由边界条件，然而橡皮绳具有蠕变特性，不能长时间在试验中使用，同时吊车的动力学特性也影响了模拟效果。美国NASA兰利研究中心在20世纪80-90年代进行了近零刚度悬挂技术和装置的研究，近零刚度装置通过不同弹簧的组合和预加载，产生正、负刚度，从而得到零刚度实现自由边界条件的模拟。然而，该装置本身具有非线性特性，只有当试验件处于平衡位置时才能得到期望的自由边界条件，远离平衡位置时自由模拟条件模拟效果较差。20世纪90年代，美国CSA工程公司开展了气动/电磁结合悬挂装置的研制，用于结构自由边界条件的模拟，它由两套平行子系统组成，即被动气动系统和主动电磁系统。被动气动系统通过特殊设计的无摩擦力的活塞-气缸支撑试件全部重量，主动子系统用一个长行程、非接触的通电线圈产生电磁力来主动补偿悬挂装置增加的微小质量，该装置涉及气动和电磁装置，构成较复杂且承载能力有限。

在国内随着我国航天技术的飞速发展，用于空间结构地面动力学试验的自由边界条件模拟的方法和装置不断丰富，如卫星太阳翼展开用吊架、卫星大型可展开天线悬吊式自由边界模拟装置，同时对美国CSA公司的气动/电磁式自由边界条件模拟装置也进行了类似研究。整体而言，与美国等航天强国相比，我国在卫星自由边界条件模拟方法和装置的研究方面仍存在一定的差距。目前还不具备成熟的用于卫星特别是大型卫星整星的在轨自由边界条件模拟的方法和装置。

因此，为了实现卫星地面微振动和模态等动力学试验中在轨自由边界条件的模拟，必须研制相应的装置，解决卫星在轨动力学特性和微振动环境验证的地面试验需求。

发明内容

为了满足现有技术中存在的技术需求，本发明的目的在于提供一种在地面模拟卫星在轨飞行时的自由边界条件的装置，用于卫星地面微振动和模态等动力学试验中的试验边界条件的模拟。

本发明采用的技术方案如下：

一种卫星在轨自由边界条件模拟装置，主要包括用于为卫星提供支撑接口的上部的卫星对接板、支撑弹簧、卫星平衡调节装置、限位保护装置以及用于提供与地面固定连接接口并对模拟装置整体提供支撑的下部的支撑板，上部和下部的卫星对接板和支撑板根据卫星机械结构对应设置，优选为圆环形或多边形，多个支撑弹簧两端分别固定连接在卫星对接板和支撑板之间的环形部分上并围绕环形部分均匀分布，以对卫星进行弹性支撑；数量与支撑弹簧数量对应的卫星平衡调节装置固定设置在支撑弹簧底部和支撑板之间，以通过对支撑弹簧的支撑来调整卫星偏心引起的卫星与模拟装置的倾斜，使卫星对接到模拟装置后保持水平；限位保护装置按圆周均布方式设置在卫星对接板和支撑板之间的环形部分上并对卫星进行安全保护，其中，支撑弹簧分别设置在相邻两个限位保护装置之间，卫星平衡调节装置包括支撑螺纹、其上对支撑弹簧底部进行支撑的高度调节螺母和锁死螺母，锁死螺母设置在高度调节螺母的相邻底部，支撑螺杆为实心金属圆杆，圆杆的外壁设有螺纹，高度调节螺母和锁死螺母分别通过与螺纹支撑杆的螺纹配合来调节支撑弹簧底部的高度，支撑螺杆与所述支撑板机械固定连接，支撑螺杆直径小于弹簧内径，与弹簧重合部分不接触。

进一步地，所述限位保护装置包括依次连接的限位导向杆、限位调节螺杆、锁死螺母以及螺纹支撑杆，限位导向杆与螺纹支撑杆分别支撑在卫星对接板的底表面和支撑板的上表面上，螺纹支撑杆为实心金属圆杆，其外壁设有螺纹，限位调节螺杆为空心圆杆，内部设有螺纹，旋拧在螺纹支撑杆上，锁死螺母也旋拧在螺纹支撑杆上并设置在限位调节螺杆下端以调节到适当位置对其锁定；限位导向杆通过螺栓固定在卫星对接板上，导向杆向下指向螺纹支撑杆，以当限位调节螺杆向上调节时对其进行横向限位。