太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的擾振力矩測試與分析

陳江攀，王 冬，劉 艷，張為雯，劉 藝

（北京電子工程總體研究所，北京 100854）

太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的擾振力矩測試與分析

陳江攀，王 冬，劉 艷，張為雯，劉 藝

（北京電子工程總體研究所，北京 100854）

為了研究太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（solar array drive assembly，SADA）驅(qū)動(dòng)太陽翼運(yùn)行期間所產(chǎn)生的擾振力矩特性，設(shè)計(jì)了一套地面測試系統(tǒng)，包括應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)、柔性負(fù)載以及模擬SADA在軌無重力工作環(huán)境的重力卸載裝置。闡述了所設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)的工作原理，并利用該測試系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試。測試結(jié)果表明：SADA驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載運(yùn)行期間所產(chǎn)生擾振力矩的擾振頻率成分主要包含兩部分，即：1）SADA驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載耦合系統(tǒng)的低階扭轉(zhuǎn)固有頻率；2）SADA電脈沖信號的輸入頻率及其高階諧波。

太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；擾振力矩；應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)；柔性負(fù)載；重力卸載裝置

引言

航天器在軌運(yùn)行期間所產(chǎn)的微振動(dòng)會(huì)對其成像質(zhì)量和指向精度等關(guān)鍵工作性能產(chǎn)生較大的影響。航天器上存在較多的微振動(dòng)源，如動(dòng)量輪、控制力矩陀螺以及SADA等[1，2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對動(dòng)量輪和控制力矩陀螺的微振動(dòng)特性，開展了大量成果顯著的研究工作。但受限于三方面的原因，目前有關(guān)SADA驅(qū)動(dòng)太陽翼耦合系統(tǒng)所產(chǎn)生微振動(dòng)的試驗(yàn)測試研究仍處于初始階段。首先，太陽翼是一個(gè)典型的結(jié)構(gòu)大、柔度大、質(zhì)量/慣量大且阻尼較弱的柔性裝置[3]，在重力環(huán)境下難以直接展開并參與試驗(yàn)測試；其次，與航天器在軌工作環(huán)境不同，地面環(huán)境存在空氣阻力，SADA驅(qū)動(dòng)太陽翼在兩種工作環(huán)境下所產(chǎn)生的微振動(dòng)大相徑庭，地面測試結(jié)果無法有效預(yù)測其在軌狀態(tài)；最后，目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的壓電式微振動(dòng)測試平臺(tái)低頻響應(yīng)特性較差[4]，無法精確測試SADA驅(qū)動(dòng)太陽翼耦合系統(tǒng)所產(chǎn)生的低頻微振動(dòng)。此外，文獻(xiàn)[5]指出，SADA驅(qū)動(dòng)太陽翼耦合系統(tǒng)所產(chǎn)生的微振動(dòng)主要表現(xiàn)為擾振力矩分量。綜上所述，亟需開展SADA驅(qū)動(dòng)太陽翼耦合系統(tǒng)所產(chǎn)生擾振力矩的試驗(yàn)測試研究。為此，本研究設(shè)計(jì)了一套地面測試SADA擾振力矩特性的測試系統(tǒng)，并利用該測試系統(tǒng)對SADA驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載運(yùn)行期間所產(chǎn)生的擾振力矩進(jìn)行了測試和分析。本研究所得的結(jié)論，對預(yù)測SADA驅(qū)動(dòng)太陽翼在軌運(yùn)行期間所產(chǎn)生的擾振力矩具有一定的幫助。

1 測試系統(tǒng)工作原理

本研究所設(shè)計(jì)的地面測試系統(tǒng)是由應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)、柔性負(fù)載以及重力卸載裝置3部分組成，下面分別對各部分的工作原理進(jìn)行說明。

1．1 應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)

應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)主要由8個(gè)雙孔梁應(yīng)變式力傳感器（S1～S8）、負(fù)載盤以及平臺(tái)外殼組成，其照片以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1。

圖1中，負(fù)載盤用于安裝被測活動(dòng)部件，選用中間開大圓孔的厚鋁板，其特點(diǎn)是接口靈活且剛度高；平臺(tái)外殼不僅用于支撐和保護(hù)傳感器，還起到連接測試平臺(tái)與剛性基礎(chǔ)的作用，采用鋁板組裝而成，在保證剛度的前提下盡量降低質(zhì)量，以便于搬運(yùn)。而對于雙孔梁應(yīng)變式力傳感器而言，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)形式為在板狀梁上開有4個(gè)圓弧孔。當(dāng)在梁的端部作用集中力時(shí)，4個(gè)圓弧孔均承受彎曲變形，此時(shí)，若將4片應(yīng)變片分別粘貼在4個(gè)圓弧孔的外壁上，則恰有兩片處于正應(yīng)力區(qū)，兩片處于負(fù)應(yīng)力區(qū)，故所粘貼的4片應(yīng)變片恰好組成了一個(gè)等臂對稱全橋測量電路。此外，為了結(jié)構(gòu)對稱和便于安裝，S1～S4均為一根雙孔梁，而S5～S8則均由兩根雙孔梁組成。

綜上所述，當(dāng)被測活動(dòng)部件安裝在應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)的負(fù)載盤上工作時(shí)，活動(dòng)部件所產(chǎn)生的微振動(dòng)會(huì)以空間正交的3個(gè)擾振力（Fx、Fy和Fz）和3個(gè)擾振力矩（Mx、My和Mz）的形式作用在負(fù)載盤的幾何中心，并通過負(fù)載盤分解到8個(gè)雙孔梁應(yīng)變式力傳感器上，此時(shí)，S1～S8則會(huì)輸出與所受外力成正比的電壓。其中，雙孔梁應(yīng)變式力傳感器S1和S3可實(shí)現(xiàn)對Fx和Mz分量的測試，S2和S4可實(shí)現(xiàn)對Fy和Mz分量的測試，S5～S8則可實(shí)現(xiàn)對Fz、Mx和My3個(gè)分量的測試，故該測試平臺(tái)具備測試航天器活動(dòng)部件6分量擾振特性的能力。此外，由圖1還可知，應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)的內(nèi)部是一個(gè)空腔，被測活動(dòng)部件既可以安裝在測試平臺(tái)外部也可以安裝在其內(nèi)部，即該測試平臺(tái)具有接口靈活的優(yōu)勢。

另外，應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)的標(biāo)定方法參見文獻(xiàn)[6]。

1．2 柔性負(fù)載

柔性負(fù)載是由支架鋼梁、薄鋁板（1 000 mm×800 mm×1 mm）以及4根配重鋼梁（800 mm×30 mm×15 mm）組成，其照片以及在固支邊界條件下前3階模態(tài)測試結(jié)果分別參見圖2和圖3。

圖1 應(yīng)變式微振動(dòng)測試平臺(tái)照片及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 柔性負(fù)載照片

由圖3所示的模態(tài)測試結(jié)果可知，柔性負(fù)載低頻區(qū)模態(tài)密集，且其1階模態(tài)為扭轉(zhuǎn)模態(tài)，對應(yīng)的固有頻率為1.153 Hz，處于低頻區(qū)。因此，該柔性負(fù)載可用于研究SADA驅(qū)動(dòng)太陽翼耦合系統(tǒng)的擾振力矩特性。

1．3 重力卸載裝置

圖3 柔性負(fù)載模態(tài)測試結(jié)果

與動(dòng)量輪和控制力矩陀螺等活動(dòng)部件不同，開展地面試驗(yàn)對SADA驅(qū)動(dòng)負(fù)載耦合系統(tǒng)的微振動(dòng)特性進(jìn)行測試時(shí)，由于負(fù)載的重力會(huì)通過SADA傳遞至測試平臺(tái)，故負(fù)載重力會(huì)對SADA運(yùn)行過程中的摩擦特性產(chǎn)生影響，從而使其與在軌工作環(huán)境不同。為了模擬SADA在軌的無重力工作環(huán)境，研制了一套重力卸載裝置，其照片參見圖4。

由圖4可知，重力卸載裝置主要由水平/高度調(diào)節(jié)裝置、卸載支架、傳動(dòng)軸以及氣浮軸承4部分組成。4部分的主要功能分別為：

1）水平/高度調(diào)節(jié)裝置。該裝置安裝于卸載支架和剛性基礎(chǔ)之間。首先，在剛性基礎(chǔ)的安裝面固定4塊上表面具有球面凹槽的鋼磚，且鋼磚位置與卸載支架的4條支腿一一對應(yīng)；然后，通過4根旋轉(zhuǎn)螺桿對卸載支架進(jìn)行支撐，旋轉(zhuǎn)螺桿底端設(shè)計(jì)成半球狀且恰好支撐在鋼磚上表面的球面凹槽里，上端則擰入卸載支架四條支腿的內(nèi)螺紋中，故通過轉(zhuǎn)動(dòng)4根旋轉(zhuǎn)螺桿即可調(diào)整卸載支架的水平度和高度；最后，待卸載支架的水平度和高度滿足要求后，再通過螺栓將卸載支架的4條支腿與對應(yīng)的鋼磚進(jìn)行剛性連接。綜上所述，該裝置既可調(diào)整卸載支架的水平度和高度，又可保證卸載支架的安裝剛度。

2）卸載支架。卸載支架的主要作用是支撐和固定氣浮軸承的定子，并將氣浮軸承定子所受的外力傳遞至剛性基礎(chǔ)。

圖4 重力卸載裝置照片

3）傳動(dòng)軸。傳動(dòng)軸的主要作用是將氣浮軸承轉(zhuǎn)子的下端與SADA進(jìn)行連接，從而將氣浮軸承轉(zhuǎn)子上端所連負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳遞給SADA。

4）氣浮軸承。氣浮軸承的主要作用是卸載SADA所驅(qū)負(fù)載的重力，其定子與卸載支架固連，轉(zhuǎn)子的上下兩端分別與負(fù)載和傳動(dòng)軸固連。氣浮軸承的工作原理為：當(dāng)其充氣工作時(shí)，轉(zhuǎn)子處于懸浮狀態(tài)，和定子無直接接觸且相對于定子可自由旋轉(zhuǎn)。故SADA通過氣浮軸承驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載的重力通過氣浮軸承的定子和卸載支架傳遞至剛性基礎(chǔ)，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則通過轉(zhuǎn)子和傳動(dòng)軸傳遞給SADA，從而在不影響轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳遞的同時(shí)實(shí)現(xiàn)重力卸載。

值得注意的是，由于氣浮軸承是由氣泵提供高壓氣體，而氣泵的壓縮機(jī)在工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致其輸出的高壓氣體有脈動(dòng)現(xiàn)象，脈動(dòng)現(xiàn)象會(huì)直接對氣浮軸承的工作性能以及試驗(yàn)的測試結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，在測試過程中，當(dāng)氣泵儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓達(dá)到設(shè)定值壓縮機(jī)停止工作時(shí)，可進(jìn)行測試，而當(dāng)氣泵儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓過低壓縮機(jī)開始工作時(shí)，應(yīng)停止測試。此外，在壓縮機(jī)停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行測試，背景噪聲水平明顯降低，有利于提高測試精度。

2 測試結(jié)果與分析

本研究所討論的SADA是由兩部分組成，即驅(qū)動(dòng)源（兩相混合式步進(jìn)電機(jī)）以及兩級直齒輪減速裝置（總減速比為100）。在此基礎(chǔ)上，利用所設(shè)計(jì)的地面測試系統(tǒng)，對該SADA驅(qū)動(dòng)圖2所示柔性負(fù)載運(yùn)行期間所產(chǎn)生的擾振力矩進(jìn)行了測試。擾振力矩測試結(jié)果參見圖5。

由圖5所示的測試結(jié)果可知，在0～50 Hz的頻帶內(nèi)，SADA驅(qū)動(dòng)圖2所示柔性負(fù)載運(yùn)行期間所產(chǎn)生擾振力矩的擾振頻率有4個(gè)，即1.156 Hz、14.8 Hz、29.59 Hz以及44.38 Hz。由于SADA的減速比為100，故SADA內(nèi)部轉(zhuǎn)子和定子間的電磁剛度[6]相對于柔性負(fù)載而言，可等效為固支邊界。因此，擾振頻率中的1.156 Hz為SADA驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載耦合系統(tǒng)的1階扭轉(zhuǎn)固有頻率。而對于14.8 Hz而言，其為SADA電脈沖信號的輸入頻率，故29.59 Hz和44.38 Hz則分別為14.8 Hz的2階和3階諧波。其中，SADA電脈沖信號輸入頻率fd的計(jì)算公式為：

式中：h、ωc、z、p以及n分別為SADA的總減速比、巡航速度、轉(zhuǎn)子齒數(shù)、運(yùn)行拍數(shù)以及細(xì)分?jǐn)?shù)，且5者對應(yīng)的數(shù)值分別為100、7.26×10-5rad、50、4以及64，代入式（1）可得：

圖5 擾振力矩測試結(jié)果

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一套地面測試SADA擾振力矩特性的測試系統(tǒng)，介紹了該測試系統(tǒng)各部分的工作原理，并利用該測試系統(tǒng)對SADA驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載運(yùn)行期間所產(chǎn)生的擾振力矩進(jìn)行了測試和分析。結(jié)果表明：SADA驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載運(yùn)行期間所產(chǎn)生擾振力矩的擾振頻率成分主要包含兩部分，即：1）SADA驅(qū)動(dòng)柔性負(fù)載耦合系統(tǒng)的低階扭轉(zhuǎn)固有頻率；2）SADA電脈沖信號的輸入頻率及其高階諧波。本研究所得的結(jié)論具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Measurement and Analysis of the Disturbance Torque Generated via Solar Array Drive Assembly

CHEN Jiang-pan，WANG Dong，LIU Yan，ZHANG Wei-wen，LIU Yi
(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854)

For investigating the disturbance torque aroused via solar array drive assembly (SADA), a set of ground measurement system is designed in this work, which is composed of strain-effect microvibration measurement platform, flexible load and gravity unloading device used to simulate the nongravity working environment of SADA running on orbit. The working principle of the ground measurement system is demonstrated and the experimental measurement is carried out on the basis of the designed measurement system. All the results show that, the disturbance frequency of the disturbance torque aroused by SADA driving a flexible system is mainly consisting of two parts: 1) the low order torsional natural frequency of the coupling structure; 2) the input frequency of the digital pulse signal and its harmonics.

solar array drive assembly; disturbance torque; strain-effect micro-vibration measurement platform; flexible load; gravity unloading device

TH113.1；V414

A

1004-7204(2017)04-0139-04

陳江攀（1988.04），男，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。