一种利用单轴气浮平台测量角动量的方法

　　转动部件在转动的过程中会对安装平台输出一定的力矩及角动量。在一些对力学特性要求较高的装置中,各转动部件的输出角动量,以及多个转动部件的耦合输出应给予重点关注。例如,在卫星姿控测试中,各飞轮的输出角动量,以及多个飞轮耦合作用下的输出力矩,及角动量的大小和变化对于整个卫星平台的姿态控制设计具有很好的参考价值。因此,对于转动部件的输出角动量的测量具有一定的工程实施意义。

　　1　测量原理

　　转动部件在转动时输出的力学参数可用力矩或角动量两种物理量表示,分别表示对安装平台作用的瞬时效应和积累效应。两种物理量间可以通过微分或积分互相转换,最终误差取决于原始量的测量误差以及误差传递。

　　由于力矩测试对系统的带宽及响应延时要求较高,因此在实际试验过程中往往对转动部件的输出角动量进行测量。如需要了解力矩变化情况,则对角动量变化曲线进行微分即可。

　　角动量H的计算表示式为

　　(1)式中J为被测单元的转动惯量,ω为被测单元的角速度。因此,可通过对被测单元转动惯量和角速度的测量间接得到输出角动量的大小及变化曲线。

　　在对转动部件进行角动量和力矩测量时,可对转动部分直接进行转动惯量和角速度的测量。对整个系统进行力学特征评价时,最关心的是其相对于安装平台各自由度的扰动大小及变化情况,尤其对于多自由度、非正交以及多个扰动耦合的情况。如果间接对各转动部件进行测量,然后通过耦合分析得到的综合参数会因间接环节过多而增大检测误差,从而降低综合结果的可信度。

　　在上述条件下,可利用耦合测量法对转动部件的综合输出角动量进行较为直接的测量,从而减少中间环节,提高测量准确度。

　　当某个系统所受外力为零的前提下,在任一自由度系统角动量守恒,设转轴为z轴:

　　(2)式中JZ、ωZ为工作状态下转动部分绕z轴的转动惯量及转速在z轴的投影,JD、ωD为转动部件安装平台及其定子绕z轴的转动惯量及转速,H0为相对于z轴的初始角动量。如初始状态为0,则式(2)为

　　在∑JZωZ难以测量的条件下,可通过对JDωD及H0的测量,间接得到∑JZωZ。同时,JDωD也直接表征了转动部件输出对系统的扰动,对其进行微分,即可得到扰动力矩的大小及变化情况。被测转动部件输出角动量H为:

　　(4)式中ω0为气浮平台初始角速度。

　　2　测量装置及方法

　　2.1　测量装置

　　上述耦合角动量测量方案实施的关键在于被测方向的角动量需守恒,不受外界干扰或干扰很小。因此,测试基础平台选用单轴气浮平台[1]。