[发明专利]空间充气可展开支撑结构的动刚度在轨监测装置及方法

说明书

本发明公开了一种空间充气可展开支撑结构的动刚度在轨监测装置及方法，包括顶盖、电路板和盒体；电路板安装在盒体内部；顶盖安装在盒体顶面，将盒体封闭；电路板包括信号发生模块、信号采集模块、微处理器模块、串口通信模块、数据存储模块和电源管理模块；微处理器模块控制信号发送模块产生指定频率的正弦扫频信号，并使能信号采集模块进行数据采集；信号采集模块采集完成后，微处理器模块对采集的激励信号和响应信号分别进行短时傅里叶变换，并通过求取激励信号和响应信号的比值得到充气可展开支撑结构的动刚度数据，再将动刚度数据传输到SD卡中进行存储。本发明装置具有小型化、模块化、低功耗的特点，节省了航天器的载荷空间，节约了能源。

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种动刚度在轨监测装置及方法。

背景技术

空间充气可展开结构具有折叠体积小、质量轻、易展开、易存储、成本低等显著优势，在航天工程中具有广泛的应用前景。空间充气可展开结构一般由薄膜和支撑结构组成，其中支撑结构主要包括充气可展开支撑杆和支撑环。在空间大型充气展开天线系统中，充气可展开支撑杆和支撑环就用于天线系统中反射面的展开和维持；在太阳帆中，充气可展开支撑杆用于展开并支撑帆面。充气可展开支撑结构的作用主要是通过充气的方式实现空间充气结构的展开，为结构展开提供动力，并且通过保持充气压力形成一定的刚度，起到保持结构外形的作用。充气可展开支撑结构展开后，其在轨动刚度特性对整体充气结构的振动特性、航天器平台的姿态控制等都有重要的影响，在轨原位测量和实时监测充气可展开支撑结构的动刚度特性具有十分重要的工程价值。

目前，国内外已有一些研究聚焦于在地面对空间充气可展开支撑结构的动刚度进行测试。Slade采用电磁振动器对其进行激励，用激光振荡计采集信号获得了充气结构的动刚度特性(Slade K N.Dynamic characterization of thin-film inflatablestructures[M].Durham:Duke University,2000.)。Thomas采用电磁振动器及压电片传感器对充气杆进行激励，并分别采用加速度传感器和激光振动计采集振动信号获得了充气结构的动刚度特性(Single T G.Experimental vibration analysis of inflatable beamsfor an AFIT space shuttle experiment[R].Ohio:Air University,2002.)。余建新等人用力锤冲击法在地面对充气环结构进行动态测试，选用单个内置电路压电片传感器测量响应，用商业动态数据分析仪器采集数据，再进行模态参数提取，得到了薄膜充气环面内、外振动的频响函数(余建新,卫剑征,谭惠丰.薄膜充气环动态特性试验研究[J].振动与冲击,2013,32(7):11-11.)。然而，需要指出的是，这些研究工作都是在地面开展试验，采用体积和功耗较大的商用结构动力学测试设备对充气可展开支撑结构进行动刚度测试。由于体积和功耗限制、系统复杂，这些设备和方法不能用于空间在轨状态的测试，同时也不具备连续的实时动刚度监测能力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种空间充气可展开支撑结构的动刚度在轨监测装置及方法，包括顶盖、电路板和盒体；电路板安装在盒体内部；顶盖安装在盒体顶面，将盒体封闭；电路板包括信号发生模块、信号采集模块、微处理器模块、串口通信模块、数据存储模块和电源管理模块；微处理器模块控制信号发送模块产生指定频率的正弦扫频信号，并使能信号采集模块进行数据采集；信号采集模块采集完成后，微处理器模块对采集的激励信号和响应信号分别进行短时傅里叶变换，并通过求取激励信号和响应信号的比值得到充气可展开支撑结构的动刚度数据，再将动刚度数据传输到SD卡中进行存储。本发明装置具有小型化、模块化、低功耗的特点，节省了航天器的载荷空间，节约了能源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：