[发明专利]飞行模拟器转动惯量在线校准系统及其校准方法

说明书

本发明提供一种飞行模拟器转动惯量在线校准系统，包括：平动限位机构，包括限位轴承以及平动限位机构支柱，限位轴承安装在飞行模拟器质心位置；弹簧振子组，连接气浮平台和平动限位机构支柱；标准质量块，均匀置于飞行模拟器构件上；摆动周期测量单元，与飞行模拟器连接。本发明还提供飞行模拟器转动惯量在线校准方法。本发明提供的校准系统，结构摩擦力矩极小、制动方便、对转动惯量的在线校准测量误差影响可以忽略不计，提高了校准结果的准确性；采用平动和转动两套运动限位方案，可以分别对飞行模拟器三个转动惯量的在线校准提供运动限位，完成绕特定回转轴的摆动，结构紧凑，可靠性高。

技术领域

本发明涉及飞行模拟器技术领域，特别涉及一种飞行模拟器转动惯量在线校准系统及其校准方法。

背景技术

质量特性参数是卫星、空间站等航天器研制的一组重要参数，它为航天器的力学试验、发射升空、在轨运行以及回收等方面提供了重要的计算依据。其中的转动惯量是刚体在转动中惯性大小的量度。它与刚体的总质量、形状和转轴的位置有关。对于形状比较简单的刚体，可以通过数学方法算出它绕特定轴的转动惯量。但是，对于形状比较复杂的刚体，用数学方法计算它的转动惯量非常困难，因而多采用实验方法测定。

针对探月三期对接与样品转移分系统而研制的弱撞击式对接机构对接性能试验台是用于对接与样品转移分系统常温条件下地面对接性能试验，开展对接、保持、样品转移和分离等全过程的地面试验项目，对对接机构的工作性能进行评估，验证转移机构的性能，为对接机构与样品转移分系统的优化、改进和定型提供试验数据和依据。

弱撞击式对接机构对接性能试验台安装在气浮平台上的主被动飞行模拟器能够模拟主、被动飞行器的质量和惯量特性，模拟航天器在对接过程中的滚转、偏航、俯仰等各种姿态，在漂浮状态下完成对接与样品转移全过程试验。主被动飞行模拟器模拟的转动惯量值的不准确，会造成模拟航天器对接、保持、样品转移和分离等全过程中的各种力学参数指标的变化，影响弱撞击式对接机构对接性能试验台对空间对接机构工作过程的真实模拟，也无法准确评估和确定飞行模拟器的结构性能。因此，进行试验台飞行模拟器转动惯量的在线校准就显得尤为重要。

主动飞行模拟器用来模拟轨道器，被动飞行模拟器用来模拟上升器，他们能够实现六个自由度的失重运动状态模拟；飞行模拟器质量、惯量与质心位置的匹配。主动端飞行模拟器集成之后其质心离地高度约1.1mm，总高度5.5m，总长3.5m，总宽3.8m，重量约2.2t，绕三个轴的转动惯量在1900kg·m²～2500kg·m²之间。被动端飞行模拟器集成之后其质心离地高度约1.1mm，总高度3.4m，总长1.4m，总宽2.4m，重量约0.4t，绕三个轴的转动惯量在150kg·m²～240kg·m²之间。

目前国内外对复杂结构的转动惯量的校准方法主要是通过扭摆法或者三线摆法原理的校准装置来实现。

扭摆法测量刚体转动惯量，可以通过测量扭摆系统的自由扭摆周期来计算。图1为现有的扭摆系统的原理结构示意图。参照图1，安装在扭摆垂直轴上的被测物体11，在水平面内转过一个角度θ后释放，在弹簧或扭杆12的恢复力矩作用下，被测物体11就开始绕垂直轴作往返扭转运动，其无阻尼自由振动方程为：式中，J为气浮台转动惯量，K_θ为弹簧等效扭转刚度，θ为气浮台角位移；系统对应的振动频率为通过确定待测物体的扭摆频率f，扭杆的扭转系数K，转台的转动惯量J0，可以测得其转动惯量。

三线摆测量法可用于许多机电产品及其零部件和某些大型非均质不规则产品模型(如飞机)绕某轴的转动惯量。图2为现有的三线摆系统的原理结构示意图。参照图2，启动摆盘21使三线悬挂的圆盘22绕其中心竖轴旋转一小角度，在悬线张力作用下，圆盘22将绕其中心竖轴在某一确定的平衡位置进行左右往复扭摆，其重心也将沿转轴作上、下移动，其转动的周期与其转动惯量有关。用三线摆测量物体的转动惯量，原理是利用机械能守恒定律，导出被测构件和下圆盘相对于下圆盘垂直中心轴的总转动惯量公式。