氣浮軸承在航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用

徐在峰，王洪鑫，趙 科

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的高速發(fā)展和型號(hào)任務(wù)的不斷增加，采用質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備進(jìn)行航天器的質(zhì)量特性測(cè)試已成為我國(guó)航天器質(zhì)量特性測(cè)試設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。本文重點(diǎn)介紹球面氣浮軸承在航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)一種球面氣浮軸承進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件仿真計(jì)算，以期在不久的將來(lái)可以將其應(yīng)用于質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中。

1 航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)介

所謂質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備，就是將質(zhì)量、質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)試全部集成在一臺(tái)設(shè)備上，通過(guò)特定的工裝改變航天器在測(cè)試設(shè)備上的安裝位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)坐標(biāo)系下三方向質(zhì)心測(cè)量和繞 3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量。該類(lèi)設(shè)備在美國(guó)空間電子公司（Space Electronics）、德國(guó)申克公司（Shenck），已有相應(yīng)的產(chǎn)品，并在美國(guó)NASA、歐洲ESA及日本NASDA等航天機(jī)構(gòu)得到了應(yīng)用。國(guó)內(nèi)盡管有科研院校開(kāi)展了綜合測(cè)試設(shè)備的研究，但目前只有北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所經(jīng)過(guò)多年探索研制出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備[1-2]，并應(yīng)用于型號(hào)試驗(yàn)。

2 氣浮軸承在航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用

航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備應(yīng)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(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用

平面氣浮軸承在國(guó)內(nèi)外的質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中均得到了廣泛應(yīng)用，其主要用于航天器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量。由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的我國(guó)首臺(tái)航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備就應(yīng)用了平面氣浮軸承進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量。此平面氣浮軸承直徑約1.5 m，采用多孔環(huán)形節(jié)流方式，共均勻分布30個(gè)節(jié)流孔，供氣壓力0.5 MPa時(shí)承載能力可達(dá)8 000 kg以上。美國(guó)空間電子公司的MP系列質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備[3]和德國(guó)申克公司的W50/M6質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備[4]也都采用了平面氣浮軸承進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量。

這類(lèi)質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理如圖1所示。被測(cè)試件固定在測(cè)試臺(tái)面上，上臺(tái)面與氣浮軸承中心利用圓柱氣浮軸承精確定位，上臺(tái)面通過(guò)扭桿與固定臺(tái)體連接。測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，平面氣浮軸承通壓縮空氣，氣體從氣腔通過(guò)非常小的噴嘴進(jìn)入氣浮軸承與上臺(tái)面之間的間隙，形成一層氣膜將試件連同上臺(tái)面浮起，建立起無(wú)（微）摩擦條件，同時(shí)驅(qū)動(dòng)被測(cè)件旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度；在扭桿彈簧作用下，被測(cè)試件產(chǎn)生周期性擺動(dòng)，通過(guò)精確測(cè)量試件的擺動(dòng)周期從而間接計(jì)算出被測(cè)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[5]。此方法被稱(chēng)為氣浮扭擺法。

圖1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量原理圖Fig.1 Sketch of MOI (moment of inertia) measurement

2.2 球面氣浮軸承在質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用

目前，球面氣浮軸承在我國(guó)自主研制的航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中還沒(méi)有應(yīng)用，只是停留在理論研究階段。但是在國(guó)外，如美國(guó)空間電子公司的KSR系列[6]綜合測(cè)試設(shè)備中就應(yīng)用了球面氣浮軸承。

球面氣浮軸承在質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中的作用主要是進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量和質(zhì)心測(cè)量。其用于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)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(jìn)行測(cè)量。對(duì)于質(zhì)心的測(cè)量則是采用不平衡力矩法，其測(cè)量原理如圖2所示[5]。

圖2 質(zhì)心測(cè)量原理圖Fig.2 Sketch of COG (center of gravity) measurement

當(dāng)被測(cè)試件置于與氣浮球軸承固聯(lián)的扭擺臺(tái)面上時(shí)，若試件的質(zhì)心不在球軸承的回轉(zhuǎn)中心，則在被測(cè)試件的重力作用下，氣浮球軸承間隙會(huì)發(fā)生偏移，從而產(chǎn)生不平衡力矩。通過(guò)力反饋傳感器可將此不平衡力矩準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，將試件質(zhì)量及此不平衡力矩大小帶入力矩公式中，即能夠計(jì)算出試件的質(zhì)心位置。將被測(cè)件調(diào)轉(zhuǎn)180°后再次測(cè)量其在同一個(gè)坐標(biāo)平面的質(zhì)心，將兩次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均，能夠最大限度地消除系統(tǒng)誤差。

3 一種球面氣浮軸承的計(jì)算

下文將對(duì)某種特定的球面氣浮軸承進(jìn)行承載力等參數(shù)的仿真計(jì)算，以期在不久的將來(lái)可以將氣浮球軸承應(yīng)用于我國(guó)自主研制的新型航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中，以滿(mǎn)足大型航天器的質(zhì)量特性測(cè)試要求。

3.1 球面氣浮軸承結(jié)構(gòu)及工作原理

球面氣浮軸承結(jié)構(gòu)如圖3所示。一般將球面及球窩做成等半徑，當(dāng)高壓氣體通過(guò)節(jié)流孔進(jìn)入球軸承時(shí)，上面的球體就會(huì)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(dāng)壓力為Ps的氣體經(jīng)節(jié)流孔流入氣膜后，孔后的壓力下降為Pd，由于球體是沿對(duì)稱(chēng)軸移動(dòng)的，各節(jié)流孔后的壓力必然相等。氣體從節(jié)流孔流出后，向外經(jīng)θ2圓錐外邊界直接流入大氣。氣體壓力則自節(jié)流孔后方的Pd逐漸降為在邊界處的環(huán)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(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Structure of spherical air bearing

3.2 建立計(jì)算模型

本文采用CFD分析軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，所以需要先用前處理軟件對(duì)氣浮球軸承的流場(chǎng)建模，并生成網(wǎng)格。網(wǎng)格的類(lèi)型、密度、疏密程度及局部的處理等對(duì)計(jì)算效率及精度有很大影響。由于氣體薄膜極?。ㄎ⒚准?jí)），厚度尺寸和圓周尺寸相差幾千倍。為了減小計(jì)算截?cái)嗾`差，防止計(jì)算發(fā)散，在劃分網(wǎng)格時(shí)，主要采用六面體網(wǎng)格和棱錐體網(wǎng)格。在預(yù)期壓力和速度變化比較劇烈的供氣孔周?chē)捎昧私Y(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，并進(jìn)行了局部加密。供氣孔附近網(wǎng)格如圖 4所示。最終的CFD分析軟件計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 供氣孔附近的網(wǎng)格Fig.4 Grids around the air feed hole

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

3.3 承載力計(jì)算

氣浮軸承的承載能力決定了航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備的測(cè)試能力。文章首先設(shè)定了一組球面氣浮軸承的參數(shù)，如表1所示。在其他參數(shù)不變時(shí)，球軸承半徑、供氣孔徑、供氣孔個(gè)數(shù)等參數(shù)的變化均會(huì)對(duì)球軸承的承載力產(chǎn)生影響。而后文章采用只改變其中一個(gè)參數(shù)的方法，通過(guò) CFD軟件仿真計(jì)算，觀察此參數(shù)的改變對(duì)承載力產(chǎn)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(shù)Table 1 Parameters of spherical air bearing

3.3.1 節(jié)流孔直徑與承載力的關(guān)系

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

圖6 節(jié)流孔徑對(duì)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(guān)系

設(shè)供氣壓力為0.5 MPa，供氣孔數(shù)為6，節(jié)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(shí)承載力的變化如圖7所示。由圖可見(jiàn)，可以通過(guò)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(jī)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(chǎn)成本也越高。

圖7 球軸承半徑對(duì)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(guān)系

設(shè)供氣壓力為0.5 MPa，供氣孔數(shù)為6，節(jié)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(shí)承載力的變化如圖8所示。由圖可見(jiàn)，氣膜厚度越小，承載能力越大。

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

3.3.4 其他參數(shù)與承載力的關(guān)系

除上述參數(shù)外，表1中其他參數(shù)的變化也會(huì)導(dǎo)致承載能力的變化。仿真計(jì)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(gè)數(shù)增加使承載力增大。此外，供氣方式由單排供氣孔供氣變?yōu)殡p排供氣孔供氣也會(huì)使承載力增大。

3.4 提高承載力的方法

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，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(jī)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(nèi)。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(mǎn)足軸承剛度要求的情況下，可以適當(dāng)增大節(jié)流孔直徑；2）增加供氣孔的個(gè)數(shù)，同時(shí)可將單排供氣孔供氣的方式改為雙排供氣孔供氣；3）進(jìn)行球面氣浮軸承設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)減小氣膜厚度；4）可適當(dāng)提高供氣壓力，但考慮到供氣壓力Ps越高，氣錘振動(dòng)失穩(wěn)區(qū)域越大，故供氣壓力不可過(guò)高；5）還可以通過(guò)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(guò)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(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展及航天器研制過(guò)程對(duì)安全性、可靠性、研制周期等要求的提高，質(zhì)量特性測(cè)試設(shè)備已逐漸向綜合集成測(cè)試方面發(fā)展。同時(shí)，由于球面氣浮軸承相對(duì)于平面氣浮軸承自由度多，從而使應(yīng)用球面氣浮軸承的集成測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用，在此類(lèi)設(shè)備中扮演重要角色。

在國(guó)內(nèi)，質(zhì)量特性集成測(cè)試設(shè)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(duì)于國(guó)外產(chǎn)品而言存在一定的差距。相信隨著我國(guó)制造水平的不斷提高，國(guó)產(chǎn)氣浮軸承的性能也會(huì)相應(yīng)提高，同時(shí)借鑒國(guó)外先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，我國(guó)的航天器質(zhì)量特性綜合測(cè)試設(shè)備的性能會(huì)逐漸達(dá)到國(guó)際一流水平。

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