本发明涉及一种航天器整星、航天器零部件和航天器分系统的质量特性测试的设备以及其使用方法，属于航天器总装测试技术领域。另外，本发明也可以在汽车、火车等交通运输工具的整车及零部件、航空、武器等领域中使用，完成相关产品的质量特性测试。
背景技术：
现阶段，航天器质量特性测试设备由质心转动惯量综合测试台和直线型三坐标转换机组成，其中质心转动惯量综合测试台可由质心台和转动惯量台组合而成。其中，质心转动惯量综合测试台1次安装，可以测量航天器的质量、2个横向质心参数和1个铅锤轴转动惯量参数。
直线三坐标转换机是航天器质量特性测试的通用化工装，实现航天器坐标系与测试坐标系间的位置关系自动转换的功能。
三坐标转换机测试技术，就是将质心转动惯量综合测试台和直线型三坐标转换机结合使用，使航天器仅需安装定位一次，通过三坐标转换机自动变换航天器坐标系与测试坐标系间的位置关系，即可测量质量、质心、转动惯量、惯性积等全部质量特性参数。
然而，三坐标转换机测试技术仍然存在较大的缺陷。一是：必须设计制造与被测产品重量相当的三坐标转换机。因此，测试台的承载能力和测试精度将受到测试工装的严重影响；二是：随着航天器的大型化发展，研制更大型三坐标转换机存在巨大的技术困难。三是：惯性积的测量属于间接测量，相对于动平衡机法测试精度不高；
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：提供一种可以实现质心、转动惯量、惯性积一体化的测试设备。航天器通过简易的横向工装在本发明的测试台安装定位一次，即可测量出航天器各个方向的所有质量特性参数。
本发明采用了如下的技术方案：
1、多参数球面气浮轴承质量特性测试台，包括球气浮轴承组件、摆杆组件、摆锤组件以及分别安装在摆锤组件左右两侧的两套摆锤回零组件，其中：
球气浮轴承组件包括气浮球头、气浮球窝、基架；气浮球头位于整台设备的顶部，气浮球头的上部圆形对接平面提供被测试件的机械接口，下部为球缺结构，其球心位置高于对接平面，在球缺与气浮球窝之间通入压缩空气，产生气膜，气浮球头在气浮球窝内做无阻尼运动；基架为立方体框式结构，是整个设备的安装基础，气浮球窝下部与基架上部通过螺栓进行刚性连接；
摆杆组件由支撑套、扭杆弹簧、扭摆运动驱动机构、扭摆光栅尺、扭摆驱动电机、平面气浮下盘、旋转电机组成，支撑套是中空管状结构，上部与气浮球头的底部通过螺栓刚性连接，下部与平面气浮下盘通过螺栓刚性连接，扭杆弹簧贯穿支撑套内部，扭杆弹簧上部通过扭杆键和扭杆螺母与气浮球头的底部刚性连接；扭杆弹簧下部通过连轴节与旋转电机紧固连接，扭摆光栅尺刚性连接到支撑套中部位置，扭摆运动驱动机构驱动扭摆驱动电机运动；
摆锤组件包括摆锤、气浮套、摆动光栅尺、平面气浮导轨、旋转电机支架、旋转刹车气缸，其中气浮套为空心圆柱体结构，气浮套套装在支撑套下部，放置在气浮下盘上，气浮套的空心圆柱体内腔与支撑套下部圆柱外侧面采取间隙配合；摆锤中部为空心圆柱结构，与气浮套圆柱外侧面采用螺栓连接形成刚性连接，摆锤上部安装扭摆驱动电机，摆锤下部中间区域为平面结构，前后两侧为圆弧曲面，摆动光栅尺安装在圆弧曲面上，摆锤的前后两侧平面与平面气浮导轨平面之间采取间隙配合，在间隙内通入压缩空气，形成平面气膜，摆锤沿着气浮导轨进行无阻尼简谐摆动；气浮导轨的底部固定安装在基架上的下平面上，旋转电机支架两侧刚性连接到摆锤的底部平面上，中间部分下表面与旋转电机定子通过螺栓刚性连接；刹车气缸的缸套连接到旋转电机支架中间部分上表面；
摆锤回零组件包括摩擦轮、回零丝杠、压力传感器、摆锤回零驱动电机、回零减速器，其中回零减速器的输出端固定安装在基架上，回零减速器的输出轴与回零丝杠一端刚性连接，回零减速器的输入轴与摆锤回零驱动电机的输出轴固定连接，摆锤回零驱动电机的定子与回零减速器输入端固定连接，压力传感器一端与回零丝杠连接，一端与摩擦轮连接，摩擦轮既可在摆锤的左右两侧的平面上滚动，又可与摆锤完全脱离，保证摆锤的自由摆动。
其中，扭摆运动驱动机构由主动齿轮和随动齿轮组成，随动齿轮刚性安装在支撑套中部位置上，主动齿轮与扭摆驱动电机通过齿轮键刚性连接；扭摆驱动电机通过扭摆驱动电机支架与摆锤进行刚性连接。
其中，扭摆驱动电机带动主动齿轮旋转1周，主、随动齿轮啮合分离1次；齿轮啮合时，主动齿轮带动随动齿轮、扭杆弹簧、支撑套以及气浮球头一起扭转，主、随动齿轮分离后，在扭杆弹簧的扭转回复力矩的作用下，钢性连接在一起的气浮球头、气浮套和扭杆弹簧、随动齿轮共同绕扭杆弹簧轴线进行扭摆运动。
其中，旋转电机支架为倒“几”字形状。
其中，在刹车气缸内通入压缩空气，刹车气缸的动缸向中心轴线方向运动，最终压紧到连轴节上，达到锁紧扭杆弹簧根部的作用。
其中，摆杆组件的支撑套和扭杆弹簧在气浮球头处通过键以及螺栓实现刚性连接。
其中，气浮球头的球心位置高于接口平面。
其中，气浮球头和气浮球窝之间通入一定压力的压缩空气，形成球面气膜，并在平面气浮导轨和摆锤之间通入一定压力的压缩空气形成双面矩形气膜。
其中，向气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘之间通入一定压力的压缩空气，分别形成柱状气膜和平面环状气膜，旋转刹车气缸将扭杆弹簧底部抱紧，扭摆驱动电机带动扭摆机构旋转，使气浮球头和摆杆组件形成初始扭转角度；释放扭转力矩，在扭杆弹簧的作用下，气浮球头和摆杆组绕铅锤轴做无阻尼扭摆运动。
其中，扭摆光栅尺具有两个测量功能即一是测量球头相对于基架的旋转角度，以确定被测产品与摆锤组件运动方向的夹角参数，用于确定被测产品的方位；二是在球头和摆杆组绕铅锤轴做无阻尼扭摆运动时，实时测量扭摆的角度，以获得扭摆周期，进一步计算出绕扭摆轴的转动惯量参数。
其中，主动齿轮为单齿齿轮，随动齿轮有多个齿。8、根据权利要求7所述的系统组成，其特征在于：主动齿轮(24)通过扭摆驱动电机(20)的输出轴(25)通过齿轮键(26)进行连接。随动齿轮(23)通过紧密配合与支撑套(3)连接。
其中，摆锤回零组件的回零丝杠的丝杆运动只有平移运动，不能有回转运动。
其中，摆锤下边缘，用于安装摆动光栅尺的底边，所在圆的圆心与球头的球心重合。
上述多参数球面气浮轴承质量特性测试台进行航天器质量特性测试的方法，包括以下步骤：
1)航天器在多参数球面气浮轴承质量特性测试台上一次安装；
2)利用回零丝杠和摆动光栅尺的测量数据，将气浮球头的对接平面调节水平，记录压力传感器的测量值，利用测量软件可以测量出航天器第一个水平方向的质心数据。
3)使用旋转电机，使航天器绕铅锤轴逆时针旋转90°。
4)再次，调节气浮球头的对接平面调节水平，记录压力传感器的测量值，利用测量软件可以测量出航天器的第二个水平方向的质心数据。
5)在气浮球头的对接平面水平的条件下，旋转刹车气缸抱紧扭杆弹簧，驱动扭摆运动驱动机构，使气浮球头和航天器一起做扭摆运动，利用测量软件记录扭摆光栅尺测量扭摆运动的周期、振幅、相位等信息，通过扭摆运动的周期，可以计算出绕铅锤轴的转动惯量。
6)回零丝杠反向推出，使气浮球头的对接平面与水平面有2°的夹角，迅速撤回回零丝杠，使气浮球头与航天器一起绕球心自由摆动，摆动光栅尺测量摆动运动，利用测量软件记录摆动运动的周期、振幅、相位等信息，通过摆动周期可以计算第一个绕水平轴的转动惯量，通过相位信息可以计算航天器的高度方向的质心数据。
7)在旋转电机的驱动下，使航天器绕铅锤轴顺时针旋转90°。重复第6)步的操作，可以计算出第二个水平轴的转动惯量。
8)在旋转电机的驱动下，使航天器绕铅锤轴顺时针旋转45°。重复第6)步的操作，可以计算出第三个水平轴的转动惯量。通过以上测量得到的3个水平轴的转动惯量值，可以计算1个出关于2个水平轴的惯性积参数。
9)在旋转电机的驱动下，航天器在一定转速(60rpm)下作匀速旋转运动，记录压力传感器的测量值和扭摆光栅尺的角度值，通过上述参数的计算得到铅锤轴的惯性积参数。
通过上述操作，使用多参数球面气浮轴承质量特性测试台在没有使用三坐标转换机的情况下，可以测量得到全部质量特性参数。实现了本发明的最终目的。
本发明通过采用球面气浮轴承测量的技术途径，不需要使用三坐标转换机参与质量特性测量的过程，提高了测试台的承载能力，克服了研制大型三坐标转换机的技术难度，从而实现质心、转动惯量、惯性积一体化集成测试，通过动平衡的方法提高惯性积的测试精度。
附图说明
图1为本发明的多参数球面气浮轴承质量特性测试台结构示意图；
其中，1为气浮球头；2为扭杆弹簧；3为支撑套；4为基架；5为气浮球窝；6为扭摆运动驱动机构；7为气浮套；8为摩擦轮；9为回零丝杠；10为压力传感器；11为摆动光栅尺；12为平面气浮下盘；13为旋转电机；14为摆锤回零驱动电机；15为回零减速器；16为旋转电机支架；17为旋转刹车气缸；18为摆锤；19为平面气浮导轨；20为扭摆驱动电机；21为扭摆光栅尺；22为球心。
图2为本发明的多参数球面气浮轴承质量特性测试台摆杆组件结构图
其中，1为气浮球头；2为扭杆弹簧；4为基架；5为气浮球窝；12为平面气浮下盘；13为旋转电机；20为扭摆驱动电机；21为扭摆光栅尺；23为主动齿轮；24为随动齿轮；25为扭摆驱动电机输出轴；27为扭杆螺母；28为扭杆法兰盘；29为旋转电机连轴器；30为扭摆驱动电机连轴器。
图3为本发明的多参数球面气浮轴承质量特性测试台扭摆运动驱动机构结构图。
其中，3为支撑套；20为扭摆驱动电机；23为主动齿轮；24为随动齿轮；25为扭摆驱动电机输出轴；26为齿轮键。
图4为本发明的多参数球面气浮轴承质量特性测试台摆锤组件结构图
其中，2为扭杆弹簧；3为支撑套；7为气浮套；8为摩擦轮；9为回零丝杠；11为摆动光栅尺；12为平面气浮下盘；13为旋转电机；16为旋转电机支架；17为旋转刹车气缸；18为摆锤；19为平面气浮导轨；29为旋转电机连轴器；31为摆动光栅尺支架；32为平面气浮导轨支架。
图5为本发明的多参数球面气浮轴承质量特性测试台摆锤组回零件结构图
其中，4为基架；8为摩擦轮；9为回零丝杠；10为压力传感器；11为摆动光栅尺；18为摆锤；33为回零减速机随动齿轮；34为回零丝母；35为回零电机；36为回零电机连轴节；37为回零减速机主动齿轮；38为回零电机安装支架；39为回零轴连接键；40为回零轴。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，这些具体实施方式仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。
多参数球面气浮轴承质量特性测试台结构组成如图1所示，多参数球面气浮轴承质量特性测试台，系统结构由球气浮轴承组件、摆杆组件、摆锤组件以及摆锤回零组件四部分组成。
球气浮轴承组件由气浮球头、气浮球窝、基架组成，球气浮轴承组件结构如图2所示。气浮球头位于整台设备的顶部，其上部是对接台面，提供被测试件的机械接口，下部为球缺结构，球缺的球心位置高于接口平面。气浮球窝下部设计有环形气道和环形密封槽，在密封槽内安装密封圈。气浮球窝下部与基架上部通过螺栓刚性连接在一起，形成供气气室，为气浮球头和气浮球窝之间的气膜提供压力平衡的压缩空气。气浮球窝的球形曲面上设计有多处截流孔，压缩空气从截流孔流出，与气浮球头的球形曲面共同形成大约0.1mm厚度的气膜。气浮球头可以绕着球心在气浮球窝内作三种无阻尼的运动，一是，在铅垂平面内作钟摆运动，二是，在水平平面内作旋转运动或扭摆运动，三是，上述两种运动的复合运动。基架是整个设备的安装基础，主要作用：一是承受所有载荷，二是其它组件安装的载体。基架成立方体框式结构，下部与大地通过地脚螺栓与混凝土地基固定，为整台设备提供稳定牢固的安装基础。
摆杆组件由支撑套、扭杆弹簧、扭摆运动驱动机构、扭摆光栅尺、扭摆驱动电机、平面气浮下盘、旋转电机等组成。摆杆组件结构如图2所示。摆杆组件是气浮球头在水平面内的扭摆运动的执行机构和测量机构。支撑套的主要作用是连接气浮球头和摆锤组件，形成一个钟摆子系统。中空管状结构的支撑套，上部与气浮球头的底部通过螺栓刚性连接，下部与平面气浮下盘通过螺栓刚性连接。扭杆弹簧是扭摆运动的主要执行部件之一，扭杆弹簧贯穿支撑套内部，扭杆弹簧上部通过平键结构以及螺纹结构与气浮球头的底部刚性连接。扭杆弹簧下部通过连轴节与旋转电机紧固连接。扭摆光栅尺刚性连接到支撑套中部位置。扭摆运动驱动机构主要由主动齿轮和随动齿轮组成。扭摆驱动机构的结构组成如图3所示。随动齿轮通过螺栓结构刚性安装在支撑套中部位置上。主动齿轮与扭摆驱动电机通齿轮键结构刚性连接，扭摆驱动电机通过扭摆驱动电机支架与摆锤进行刚性连接。其中，主动齿轮为单齿齿轮，随动齿轮为多齿齿轮。在进行扭摆运动的控制时，扭摆驱动电机带动主动齿轮旋转1周，主、随动齿轮啮合分离1次。从啮合到分离前，主动齿轮带动随动齿轮、扭杆弹簧、支撑套以及气浮球头一起扭转。主、随动齿轮分离后，在扭杆弹簧的回复力矩的作用下，钢性连接在一起的气浮球头，气浮套和扭杆弹簧共同进行扭摆运动。扭摆运动的周期的平方与所有进行扭摆运动物体的转动惯量成正比，这个定律是进行纵轴转动惯量测试的理论依据。
摆锤组件由摆锤、气浮套、摆动光栅尺、平面气浮导轨、旋转电机支架、旋转刹车气缸等组成。气浮套为空心圆柱体结构，气浮套套装在支撑套下部，放置在气浮下盘上。空心圆柱体内腔与支撑套下部圆柱外侧面采取间隙配合，在该间隙内通入压缩空气，形成柱状气膜。气浮套下表面与气浮下盘的上表面之间通入压缩空气后，可以形成圆环形气膜。柱状气膜和圆环形气膜在扭杆弹簧、支撑套和气浮球头做扭摆运动时，保证运动部件不与气浮套发生摩擦，保证扭摆运动是无阻尼运动。摆锤中部为空心圆柱结构，与气浮套圆柱外侧面采用紧配合与螺栓连接的复合固定形式，使摆锤与气浮套进行刚性连接。摆锤上部安装扭摆驱动电机，摆锤下部中间区域为平面结构，前后两侧为圆弧曲面，圆弧曲面中心轴线通过气浮球头的球心。摆动光栅尺安装在摆锤下部为圆弧曲面上。摩擦轮可在摆锤的左右两侧的平面上滚动，可以调节气浮球头上表面的水平度。摆锤的前后两侧的平面与平面气浮导轨平面之间采取间隙配合，在摆锤的前后两侧的间隙内通入压缩空气，分别形成平面气膜。摆锤可以沿着气浮导轨进行无阻尼的简谐摆动。摆动光栅尺测量摆锤的摆动参数如：摆幅，平衡位置，摆动周期。通过这些参数的分析计算，可以获得试件的横轴惯量和纵向质心参数。气浮导轨的底部固定安装在基架上的下平面上，气浮导轨的安装位置，需要保证气浮球头的对接平面沿摆锤前后方向是水平的。旋转电机支架为倒“几”字形状，两侧通过螺栓刚性连接到摆锤的底部平面上，中间部分下表面与旋转驱动电机定子通过螺栓刚性连接。旋转刹车气缸包括刹车气缸和连轴节两部分。刹车气缸的缸套通过螺栓连接到旋转电机支架中间部分上表面。在刹车气缸内通入压缩空气，刹车气缸的动缸向中心轴线方向运动，最终压紧到连轴节上，达到锁紧扭杆弹簧根部的作用。
摆锤回零组件由摩擦轮、回零丝杠、压力传感器、摆锤回零驱动电机、回零减速器等组成。摆锤回零组件结构组成如图5所示。摆锤回零组件有2套，分别安装在摆锤组件的左右两侧。回零减速器在输出端固定安装在基架上；回零减速机随动齿轮与丝杆螺母通过螺栓固定连接，回零丝杠与丝杆螺母配合，通过丝杆螺母的旋转，回零丝杆可以进行前后移动，实现摆锤回零的功能；回零减速器输入轴与摆锤回零驱动电机的输入轴通过回零电机连轴节固定连接。摆锤回零驱动电机的定子与回零减速器输入端固定连接。压力传感器一端与回零丝杠连接，一端与摩擦轮连接。摩擦轮既可以在摆锤的左右两侧的平面上滚动，又可以与摆锤完全脱离，保证摆锤的自由摆动。
使用多参数球面气浮轴承质量特性测试台进行航天器的质心、转动惯量和惯性积测试的实施步骤如下：
(1)使用带吊钩秤的航天器吊具，将航天器吊装并固连在多参数球面气浮轴承质量特性测试台，通过测量吊装前后的质量差，计算出航天器的质量m；
(2)在气浮球头和气浮球窝之间通入一定压力的压缩空气，形成球面气膜。
(3)根据摆动光栅尺的测量数据，使用回零丝杠，将气浮球头的对接平面调节到水平状态，水平度优于0.02mm/m；记录此时压力传感器的测量值f。通过如下计算公式，计算出产品的第一个横向质心(记为yc)。
yc＝f×l/m；
式中：yc——横向y轴质心；
f——压力传感器的测量值；
l——压力传感器的安装位置到球心的距离；
(4)在气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘通入一定压力的压缩空气分别形成柱状气膜和平面环状气膜。根据扭摆光栅尺的测量数据，使用旋转电机，使航天器绕铅锤轴逆时针旋转90°。放掉气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘的压缩空气。
(5)再次根据摆动光栅尺的测量数据，使用回零丝杠，将气浮球头的对接平面调节到水平状态，记录此时压力传感器的测量值，计算出产品的第二个横向质心(记为zc)。计算公式同第一个横向质心yc。
(6)在气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘通入一定压力的压缩空气分别形成柱状气膜和平面环状气膜。使用回零丝杠，将气浮球头的对接平面调节到水平状态。在刹车气缸内通入压缩空气，旋转刹车气缸抱紧扭杆弹簧。
(7)开启扭摆运动驱动机构，使气浮球头和航天器一起做扭摆运动，利用测量软件记录扭摆光栅尺测量得到的扭摆运动周期tn、振幅、相位等信息，通过扭摆运动的周期，计算出绕铅锤轴的转动惯量(记为ix)。计算公式如下：
ix＝k×tn2。
式中：ix——绕x轴的转动惯量；
k——扭杆弹簧的扭转刚度系数；
tn——扭摆周期；
(8)放掉气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘的压缩空气。完全收回压力值小的回零丝杠，反向推出压力值大的回零丝杠，使气浮球头的对接平面与水平面有1°的夹角。
(9)迅速撤回回零丝杠，使气浮球头与航天器一起绕球心作自由的钟摆摆动。摆动光栅尺测量摆动运动，记录钟摆摆动运动的周期tz、振幅、平衡相位角θ等信息。通过钟摆摆动周期计算出第一个绕水平轴的转动惯量(记为iy)，通过相位信息可以计算航天器的高度方向的质心数据(记为xc)。
计算绕水平轴的计算公式为：
iy＝(mgl0tz2)/(4π2)
式中：iy——绕y轴的转动惯量；
m——航天器的质量；
g——重力加速度；
tz——摆动周期；
l0——航天器质心到球心的距离；
计算航天器的高度方向的质心的公式为:
xc＝yc×ctg(θ)
式中：xc——纵向x轴质心；
yc——横向y轴质心；
θ——平衡相位角；
(10)在气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘通入一定压力的压缩空气分别形成柱状气膜和平面环状气膜。根据扭摆光栅尺的测量数据，使用旋转电机，使航天器绕铅锤轴逆时针旋转90°。放掉气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘的压缩空气。
(11)重复第(9)步的操作，计算出第二个水平轴的转动惯量(记为iz)。计算公式同第一个绕水平轴的转动惯量iy。
(12)在气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘通入一定压力的压缩空气分别形成柱状气膜和平面环状气膜。根据扭摆光栅尺的测量数据，使用旋转电机，使航天器绕铅锤轴逆时针旋转45°。放掉气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘的压缩空气。
(13)重复第(9)步的操作，计算出第三个水平轴的转动惯量(记为i3)。通过以上测量得到的3个水平轴的转动惯量值，可以计算1个出关于2个水平轴的惯性积参数(记为iyz)。计算公式为：
iyz＝(iy+iz-2×i3)/2
式中：iyz——关于y轴、z轴的惯性积；
iy——绕y轴的转动惯量；
iz——绕z轴的转动惯量；
i3——绕第三轴的转动惯量；
(14)在气浮套和支撑套之间，以及气浮套和平面气浮下盘通入一定压力的压缩空气分别形成柱状气膜和平面环状气膜。根据摆动光栅尺的测量数据，使用回零丝杠，将气浮球头的对接平面调节到水平状态，
(15)控制旋转电机的运动，航天器在一定转速ω(例如：60rpm)下作匀速旋转运动，实时记录压力传感器的测量值和扭摆光栅尺的角度值。测量软件通过分析上述2个测量值，可以计算出2个关于铅锤轴的惯性积参数(记为ixy和izx)。
计算关于铅锤轴的惯性积参数的公式如下：
式中：ixy——关于x轴、y轴的惯性积；
izx——关于x轴、z轴的惯性积；
e——横向质心偏移，
ω——旋转速度；
t——时间；
ψ0——传感器方位角；
ψ1——质心方位角，
ψ2——不平衡力偶矩方位角；
注：其它未注符号与前述公式的符号意义一致。