测量单轴气浮台转动惯量的新方法

　　0　引　　言

　　单轴气浮台是航天工业总公司502所专门为现代卫星姿态控制而研制的多功能的全物理仿真平台,具有多路数据采集和实时监控的能力[1,2],操作控制简单,数据传送先进方便,精度较高。其原理是通过喷射压缩空气使该平台悬浮于空中,因而整个系统具有阻尼小的优点。在进行卫星物理仿真试验研究时,都必须测出气浮台的转动惯量,再根据相似原理确定仿真时的动力学控制参数。

　　测量转动惯量是气浮台动力学仿真试验的一项重要前期工作,测量转动惯量的方法很多,如果物体形状简单,且质量分布均匀,可以直接计算而获得其转动惯量,并且现在已有一些商业软件可根据零件CAD图直接算出转动惯量。对于单轴气浮台这样一个复杂的系统,只能通过实验手段测定其转动惯量。常用的方法有如下几种:

　　1)金属杆扭转振动法[3,4];

　　2)三线扭摆法,该法具有操作简单,精度高的特点[5];

　　3)物理摆振动法,当摆角达60°时,周期误差6.8%,转动惯量误差达40%;

　　4)转动惯量仪;

　　5)冲量矩定理———加速法[1]。

　　三线扭摆法因其精度高而被广泛采用,但由于单轴气浮台结构复杂,属于精密仪器,且质量大(约有100Kg),将这么一个庞然大物吊起来,如果操作稍有偏差,就会损坏气浮台导致其精度降低,因此采用三线扭摆法极不方便,故我们尝试用扭振法来测量其转动惯量,获得了满意的结果。该方法与三线扭摆法相比有三大优点:

　　1)设计简单、操作容易,不用花费大量人力物力添置一个三线扭摆装置;

　　2)三线扭摆法需要知道被测物体的质量[4],而采用扭振法则无需知道气浮台的质量。测量气浮台质量是很麻烦的,必须拆卸气浮台才能进行测量。对于单轴气浮台来说,其最重要的动力学参数是转动惯量,而不是质量。实际上,在许多动力学控制实验中都无需知道气浮台的质量;

　　3)实验数据不确定度小、精度高。三线扭摆存在一定的阻尼,有时是不能忽略的,文献[6]专门讨论了有阻尼三线扭摆的非线性等效识别法。由于气浮台结构阻尼很小,阻尼系数大约只有0.003,其影响完全可以忽略,因而测量精度较高。

　　推而广之,还可以借助气浮台来测量其他设备的转动惯量,我们曾为中科院上海技术物理研究所测量了光谱仪、信息处理机等的转动惯量,获得满意的结果。

　　1　测试原理

　　将气浮台浮起并经水平调整后,在其两端刚性臂和基座之间安装两组弹簧,则可将气浮台视为一个单自由度弹簧振子系统。测试时保证气浮台振幅小于5°,以满足微幅振动条件,其无阻尼自由振动方程为: