基于气浮球轴承的仿真台动态调平衡关键技术的研究

Adjusting Balance is one of the key technologies of the simulator based on air spherical bearing which is the important equipment for the spacecraft simulation on the earth. At present, domestic researches on adjusting balance for air bearing test-bed are all statics balancing,which only considered the gravity imbalance torque caused by the deviation between center of the mass and the rotation center，and ignored disturbance torque, which lead to failure on this method when the magnitude of gravity imbalance torque is close to that of disturbance torque. This project will establish a dynamic model of air bearing test-bed under the influence of a multiple of disturbance torques, and study the motion characteristics of test-bed effected by the disturbance torques, introduce a criterion whether the test-bed balance has been reached. Furthermore, this project will research the measurement of unbalance torque,derivate the relevant formulas can calculate the disturbance torques and research on the calculation method and the error estimated method. Lastly, this project will research the self-compensation technique with the flexible structure and the technique how to generate the microtorque and will be applied on the air bearing test-bed, and study the balanceing policy with which the disturbance torque on this device can be dynamically compensated.

基于气浮球轴承的仿真台是空间飞行器地面仿真的重要设备。调平衡是其关键技术，目前气浮台调平衡还属于静态调平衡，只是考虑质心与转动中心偏差产生的重力不平衡力矩，对干扰力矩项予以忽略，导致当重力不平衡力矩与干扰力矩数量级接近时，调平衡方法失效。本课题将建立多种干扰力矩作用下的气浮台动力学模型，研究干扰力矩对台体运动特性的影响，给出台体是否调平衡的判断准则。研究不平衡力矩的测算方法，推导计算不平衡力矩的公式，给出其数值求解方法和误差估计。研究挠性结构不平衡力矩自补偿技术和适用于气浮台上的微力矩输出技术，并研究以此动态补偿干扰力矩的调平衡策略。

基于气浮球轴承的仿真台是空间飞行器地面仿真的重要设备。调平衡是其关键技术，目前气浮台调平衡还属于静态调平衡，只调节重力不平衡力矩，对于存在干扰力矩的动态调平衡尚无研究。本课题针对这一领域研究了以下内容：多种干扰力矩作用下的气浮台动力学特性，；不平衡力矩尤其是干扰力矩的求解方法；干扰力矩的补偿技术以及动态调平衡方法。取得了以下成果：建立了多种干扰力矩作用下的气浮台动力学模型，并给出了动态调平衡的判断准则，推导了不平衡力矩尤其是干扰力矩的数值求解方法；对于挠性台体不平衡力矩，研究了微变形自补偿技术；对于其他的干扰力矩，研究了基于冷气喷嘴的微力矩输出技术；并研究了基于以上技术的调平衡策略。其中最为重要的成果以及意义如下：通过研究干扰力矩对台体动力学的影响，揭示了传统的以运动周期为特征的气浮台调平衡状态准则的局限性，提出了包含极限工作位、极限周期以及极限偏转方向的三元素判定方法，该方法使得台体不平衡力矩调节至空间所需求的0.0001Nm状态时可以判断；挠性气浮台的um级微变形干扰力矩是最主要的干扰之一且无补偿方法，本课题研究了变形自补偿技术，使得台体转动中即可将此类干扰力矩自动补偿99%以上；研究了5mN·ms级微冲量输出技术，使得冷气喷嘴能够精确地用于力控制系统中，同时提出了新的该级别冷气喷嘴冲量测试原理，研制了测试试验台，该方法不需要标定转动部件转动惯量，使得测量精度较传统的光学和磁测量方式大为提高同时成本降低。