[发明专利]一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法

权利要求书

1.一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将卫星的动量轮依次安装在六分量测力平台上，测量动量轮转速从0升至最高转速Ω_max的过程中在动量轮局部坐标系中沿x、y、z轴方向的扰动力F_x(t)、F_y(t)、F_z(t)和扰动力矩M_x(t)、M_y(t)、M_z(t)：

其中，t表示时间，m_j(t)表示扰动力或扰动力矩，j为扰动力或扰动力矩的自由度编号；j＝1,…,6；动量轮局部坐标系的原点在动量轮质心处，z轴沿动量轮转轴，xy平面与z轴垂直，满足右手定则；

将升速时间历程离散为N个时间点t₀，t₁，t₂，……，t_N，对每个时间间隔[t_i-1,t_i]内的扰动力/力矩进行傅里叶变换，获得频域扰动力/力矩：

其中，[t_i-1,t_i]为第i个时间间隔；Ω_i为第i个时间间隔内中心时刻的转速；f为频率；N为正整数；i＝1,…,N；

步骤二、根据步骤一中测量获得的扰动力/力矩数据，建立动量轮的谐波叠加扰动力数学模型：

其中，k为谐波数，k＝1,2,…,n；n为建模保留的谐波总数；C_jk为第k阶谐波对第j个扰动力/力矩的幅值系数；f_Ω亦为动量轮的转速，其与动量轮转速Ω的关系为Ω＝2πf_Ω，动量轮的最高转速h_k为扰动力的第k阶谐波系数；为动量轮的第j个扰动力/力矩的第k阶谐波的相位角；

步骤三、建立卫星在轨状态有限元模型，其中包括建立动量轮及其支架组合体的有限元模型、敏感设备及其支架组合体的有限元模型；卫星上天线、太阳翼均处于展开状态；

步骤四、利用步骤三建立的有限元模型，对步骤二建立的动量轮谐波叠加模型六个扰动力/力矩的每一阶谐波h_k依次进行频响分析，获得动量轮六个扰动力/力矩的每一阶谐波h_k对敏感设备的扰振位移响应u_k(ω)和加速度响应a_k(ω)；其中，圆频率ω＝2πh_kf_Ω；

对各阶谐波的扰振位移响应u_k(ω)和加速度响应a_k(ω)进行叠加，获得动量轮全部n阶谐波的扰振位移总响应u(f_Ω)和加速度总响应a(f_Ω)：

步骤五、从步骤四求解出的卫星在轨状态下加速度总响应a(f_Ω)中，选择出对应于敏感设备安装处的加速度分量a^(D)(f_Ω)，上标(D)表示敏感设备安装处对应的自由度集合；对a^(D)(f_Ω)进行评估：

若对于动量轮转速范围内的全部转速，均有a^(D)(f_Ω)小于规定的设计值A_SPEC，进行步骤六；

若存在转速集合使得在集合{f_Ω}_A内的转速下，a^(D)(f_Ω)大于规定的设计值A_SPEC，则需按下列三种方法的一种或组合更改卫星的结构，重复步骤三至步骤五，直至对于动量轮转速范围内的全体转速，均有a^(D)(f_Ω)小于规定的设计值A_SPEC：

i、增大动量轮与敏感设备之间距离；

ii、增加敏感设备安装处的卫星舱板厚度；

iii、在敏感设备与卫星舱板之间加装减隔振装置；

步骤六、建立不同卫星试验状态的有限元模型，根据步骤二中的建立动量轮的谐波叠加扰动力数学模型，重复步骤四的计算，获得不同卫星试验状态下动量轮全部谐波的加速度总响应选择敏感设备安装处的响应差最小的卫星试验状态为最终的卫星动量轮扰振试验状态；

步骤七、根据步骤六中确定的卫星动量轮扰振试验状态，在卫星内部的动量轮支架上端、动量轮支架底端、动量轮所在卫星舱板上、敏感设备安装处布置微振动加速度传感器；

步骤八、在步骤六中确定的卫星动量轮扰振试验状态下，对动量轮进行升速工况的扰振试验：将动量轮转速从零升至最高转速测量升速过程中各微振动加速度传感器的时域数据A(t)，通过数字滤波获得分析截止频率f_end内的时域数据A_end(t)，进而得到升速工况下各微振动加速度传感器的时域数据A(t)、A_end(t)随动量轮转速f_Ω变化的函数关系A(f_Ω)和A_end(f_Ω)，并绘制A(f_Ω)和A_end(f_Ω)随动量轮转速f_Ω变化的曲线图；

所述步骤八中绘制升速工况下，各微振动加速度传感器的在滤波前、后的时域数据A(t)、A(t)_end随动量轮转速f_Ω变化的曲线图A(f_Ω)、A(f_Ω)_end的具体步骤如下：

I、采用数字滤波方法，由升速过程中各微振动加速度传感器的时域数据A(t)得到滤波后数据A(t)_end；

II、将动量轮从0升速到最高转速Ω_max过程中的总时间分为N段：t₀，t₁，…，t_N，根据动量轮转速的遥测数据Ω_TEST(t)计算第i段[t_i-1,t_i]时间段内的动量轮工作转速

其中，和Ω_i均为第i段[t_i-1,t_i]时间段对应的工作转速，

III、对第i段[t_i-1,t_i]时间段内滤波后的加速度响应A_end([t_i-1,t_i])做快速傅里叶变换，得到频域

IV、在频域曲线上的区间内寻找动量轮一次谐波峰值所在的频点得到时间与转速对应关系的集合其中，

V、利用拟合出转速与时间的函数关系f_Ω(t)＝B₀+B₁t+B₂t²，由升速工况下各微振动加速度传感器滤波前的时域数据A(t)、滤波后的时域数据A(t)_end和拟合的f_Ω(t)分别得到函数关系A(f_Ω)、A_end(f_Ω)，并绘制A(f_Ω)和A_end(f_Ω)随动量轮转速f_Ω变化的曲线图；

步骤九、计算卫星动量轮扰振试验状态下，敏感设备安装处的加速度分量的误差函数为步骤八获得的滤波后扰振响应A_end(f_Ω)在敏感设备安装处的加速度分量；再利用误差函数ε^(D)(f_Ω)，将步骤四得到的敏感设备安装处的扰振响应a^(D)(f_Ω)修正为绘制修正后的响应随动量轮转速f_Ω变化曲线图并进行评估：

若对于动量轮转速范围内的全部转速，均有小于规定的设计值A_SPEC，说明经试验验证，动量轮在敏感设备安装处产生的扰振响应满足敏感设备的工作要求；

若存在转速集合使得在集合{f_Ω}_B内的转速下，大于规定的设计值A_SPEC，则需按步骤五的方法i～iii中一种或组合对卫星结构进行修改，重复步骤三至步骤九，直至对于动量轮转速范围内的全体转速，均有a^(D)(f_Ω)小于规定的设计值A_SPEC。

2.根据权利要求1所述的一种卫星动量轮扰振试验及数据判读方法，其特征在于：所述步骤四对动量轮六个扰动力/力矩的每一阶谐波h_k进行频响分析的具体步骤如下：

对每一阶谐波h_k，求解频响方程：[-ω²M+iωB+K]u_k(ω)＝F_k(ω)，获得动量轮六个扰动力/力矩的每一阶谐波h_k对敏感设备的扰振位移响应u_k(ω)和加速度响应a_k(ω)；

其中，M为卫星的质量矩阵，B为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，u_k(ω)为动量轮第k阶谐波的扰动力向量F_k(ω)产生的扰振位移响应；

F_k(ω)具有如下形式：

P_k(ω)为第k阶谐波在动量轮坐标系下的扰动力向量；T表示从动量轮坐标系到卫星整体坐标系的变换矩阵；

求解频响方程时，分析截止频率f_end设为为动量轮最高转速Ω_max对应的频率；模态截止频率设置为1.5f_end～2f_end；模态临界阻尼比设置为0.001～0.01；输出响应点包括动量轮支架上端、动量轮支架底端、动量轮所在卫星舱板上、敏感设备安装处。