航天器质量特性测试技术新进展

王洪鑫，徐在峰，赵 科，陈 勉，杜 晨

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器质量特性是航天器与质量有关的一系列力学特性参数，包括质量、质心位置、相对于给定坐标系的转动惯量和惯性积，它们是描述航天器力学特性的基本固有特性参数。

航天器质量特性参数在航天器研制中占有重要地位。例如对于卫星、飞船、空间站的运动分析和姿态控制系统的设计，质量特性是基本的设计参数；在发射过程中运载对有效载荷的质量特性参数有一定的要求；卫星在进行轨道控制和姿态控制过程中，质量特性参数是必需的和重要的参数，其测量的准确性对卫星的控制精度和使用寿命有直接影响；对于无控飞行器（如飞船的逃逸舱），质量特性更是决定飞行参数和稳定性的基本参数。在航天器的研制中，需要通过试验来确定这些参数，并根据设计要求对这些参数进行必要的调整。

1 国外航天器质量特性测试技术进展

欧美等航天发达国家大多采用综合测试设备对航天器质量特性参数进行测量，典型的如NASA哥达德空间飞行中心使用的法国航天局使用的质心/转动惯量/惯性积三合一综合测试设备[1-4]和质心/转动惯量二合一综合测试设备，实现了航天器质量特性的综合测试。综合测试E使得测试过程所需时间大大减少，消除了在不同设备上设置引发的调整误差。另外，由于减少了航天器吊装、定位等操作，使航天器潜在的损毁的可能性也降至最小。

1.1 NASA哥达德空间飞行中心使用的质心/转动惯量/惯性积三合一综合测试设备

1.1.1 构造

质心/转动惯量/惯性积三合一综合测试设备由台体和控制台两部分组成。台体是机械部分，由台面、球面气浮轴承、圆柱轴承、支撑环、芯轴、转动电机、卡盘和接合电机、力矩传感器、指数标定环、供气管路等组成。台体内部构造如图1所示。

图1 三合一综合测试设备内部构造图Fig. 1 Internal structure of mass properties measuring facility

球面气浮轴承是整套系统的核心，台面安装在球面气浮轴承上，一根经过稳定化处理的芯轴从球面气浮轴承上垂下。芯轴底部是用于转动惯量测量的扭杆；支撑环用于当向球面气浮轴承的供气关闭时支撑台面和安装在上面的产品。当向轴承供气的时候，支撑被降下，测量开始进行。转动电机用于驱动台体旋转来测量惯性积，电机装有离合器和制动机构，其产生的转矩可以调节。卡盘和接合电机安装在芯轴的根部，在转动惯量测量期间，卡盘和扭杆接合，台体被限制旋转。台面下方有一个气动螺线管，用于推动台面产生一个大约3°的瞬时角位移，然后螺线管缩回让台面自由扭摆。力矩传感器安装在芯轴底部附近，与球面气浮轴承支点距离已知。指数标定环也安装在芯轴上，它用一排 8个发光二极管、光电传感器和环上同心的指数标定孔来测定台体的角位置，也用于转动惯量扭摆周期的测量和惯性积转速的测量。

测量控制台包含电源开关、固态机械继电器、电压源、电机控制器、状态指示器和计算机等，用于实现台体功能控制以及获取并处理从力矩传感器和扭摆传感器传回的测量信号。计算机里安装有多功能数据采集卡和数字式输入输出卡。软件用于生成系统的图形用户界面，监控系统联动装置，获取和处理测量数据。获取的数据以Excel表格的形式输出，方便处理和产生报告。整个软件体系分级设计，有助于相关的扩充和修正。

1.1.2 测量原理

质量特性测试设备安装在台秤上，航天器安装在设备测量平台上，通过台秤测量质量。

质心测量采用力复原技术与球面气浮轴承旋转中心轴相结合的方式，测量航天器在台体坐标系下产生的偏心力矩，除以质量可得出台体坐标系下的质心位置；再找出台体坐标系和航天器坐标系的关系，通过坐标转换即可得出航天器坐标系下的质心位置。

转动惯量测量时，卡盘结合电机带动卡盘与扭杆在台体底部接合，台体转换成一个扭摆，这一转换是自动完成的。给台体一个小的角位移，然后释放让其自由振荡。传感器测量振荡周期并计算负载的转动惯量：

式中：K为测试系统刚度系数；It为空载时设备的转动惯量；m为负载的质量；d为台体坐标系下负载的质心与原点的距离。

惯性积测量时，电机驱动台体到达某一指定转速，然后让其自由旋转。两个独立的测力器分别测量球面气浮轴承和圆柱轴承两个轴承组件上的平衡力。这些力是通过航天器的质心向下作用的重力和航天器质量分布结果向外作用的离心力两者的组合。惯性积值按照由

计算，式中：D为动态测量力矩，包括静态力矩；S为计算出的静态力矩；g为重力加速度；ω为转动角速度。

1.2 法国航天局使用的质心/转动惯量二合一测试设备

质心/转动惯量二合一综合测试设备配合坐标转换装置能通过对航天器一次装卡，完成质量、3个方向质心和绕3条轴转动惯量及惯性积的测量。

1.2.1 构造

该设备由质心测量部分和惯量测量部分合并而成。质心测量部分可为机械天平式或三点测力式[5]。机械天平式优点是结构简单，可靠性高，测量精度稳定；缺点是设备灵敏度不高，测量精度也不很高。三点测力式质心台量程宽，测量精度高，能满足各类航天器质心测量要求。

三点测力式质心测量部分由测量平台、测力传感器、支承、调节装置和保护装置等组成。平台中心有定位接口，可与夹具连接。平台下方同一圆周上均布 3个测力支承点，支承下置有测力传感器。保护装置用于装卸试件时保护测量支承和测力传感器，调节装置用于调节平台的水平度。

转动惯量测量部分采用扭摆装置，由平面气浮轴承、扭簧、电磁换向阀、气缸、扭摆传感器等组成。气浮轴承转台具有阻尼小的优点，适用于从小到大各种载荷的试件，缺点是抗偏心力矩的能力较弱。扭簧呈十字状，用于带动转台自由扭摆。电磁换向阀用于驱动台体产生角位移。扭摆传感器用于测量扭摆周期。

1.2.2 测量原理

质心测量基于三点测力原理：3个测力传感器处在半径为 R的同一圆周上，相隔 120°均匀分布；3个传感器测得力P1、P2、P3，质心坐标由静力平衡和静力矩平衡推导得出，测量原理如图 2所示。质心坐标为

图2 质心测量原理图Fig. 2 Principle of measuring center of gravity

转动惯量测试时，电磁换向阀控制气缸使台体产生一个小的角位移，然后释放让其自由扭摆，通过测量扭摆周期得出转动惯量。平面气浮扭摆台测量原理如图3所示。

图3 平面气浮扭摆台测量原理图Fig.3 The principle of measuring moment of inertia by plane gas table

设扭摆角为θ，转台转动惯量为I，空气阻力系数为F，扭杆刚度系数为K，扭杆与夹具之间的摩擦力矩为Tr，则扭摆台的的振动方程为

即

推导出转动惯量的计算公式为

2 国内航天器质量特性测试技术进展

我国航天领域对航天器质量特性测试多年来一直采用传统的测试技术，即用质心台测量质心，用扭摆台测量转动惯量，动平衡机测量惯性积[6]。经过长期工程实践的改进和完善，传统的测试技术已经成熟，测量的精度和可靠性都达到了较高的水平。但传统的测试技术存在很大的局限性，测试设备功能的单一决定了完成航天器各项不同参数的测量需要使用多台测试设备，航天器在各台设备之间的反复吊装、定位耗费了大量的时间，也给航天器和工作人员带来安全隐患。

北京卫星工程环境研究所有关技术人员结合国内航天器测试和制造水平现状，自主研制出一台集质量、质心和转动惯量测试功能于一体的综合测试设备和一套配合综合测试设备使用的坐标转换装置，用于某类特定航天器的质量特性测试，实现了对航天器一次装卡完成质量、3个方向质心和绕 3条轴转动惯量以及惯性积的测试，有效地提高了测试效率，减少了安全隐患[7]。

3 结束语

航天器质量特性综合测试技术能够有效提高航天器质量特性测试效率，最大限度消除航天器反复吊装、定位等操作给航天器和工作人员带来的安全隐患，是航天器质量特性测试技术的发展方向。我国航天器质量特性测试技术人员应结合国内航天器质量特性测试和制造水平现状，借鉴欧美等航天发达国家航天器质量特性综合测试技术，不断改进现有设备，研发新型设备，满足我国日益增长的航天器质量特性测试需要。

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[1] Ross B P, McLeod C. Upgrade of the Goddard Space Flight Center’s mass properties measuring facility[C]// Proceedings of the 23rdSpace Simulation Conference. Annapolis, MD, USA, 2004

[2] Reid A, Hull, John L, et al. Computer program for determining mass properties of a rigid structure, NASA TM 78681[R]

[3] Huntsville S. Research and development in the field of physical determination of mass properties, NAS8-11314[R]

[4] Hahn H, Niebergall M. Development of a measurement robot for identifying all Inertia parameters of a rigid body in a single experiment[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2001, 9(2)

[5] 汪繁荣, 陈勉, 汪全芳. 质心测量平台的研究与设计[C]//全国先进制造技术高层论坛暨制造业自动化、信息化技术研讨会论文集. 贵阳: 中国机械工程学会, 2005: 295-297

[6] QJ 2258A—2001, 航天器质量特性测试方法[S], 2001-11-15

[7] 杜晨, 陈勉. 卫星质量特性测试新方法研究[J]. 航天器环境工程, 2004, 21(3): 11

Du Chen, Chen Mian. Research on new test method of mass properties of spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2004, 21(3): 11