CN103778823A - 一种应用于太空舱内的悬浮装置及微重力实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬浮装置，包括本体和置于本体内的电源、主控制器、传感器、载荷电源接口、载荷通信接口和载荷空间；实验载荷安装在载荷空间内，且通过载荷电源接口和载荷通信接口实现由电源供电及与主控制器通信；传感器采集并将悬浮装置信息送入主控制器处理。本发明还涉及一种微重力实验方法，包括：将科学实验载荷安装在载荷空间内；将悬浮装置在太空舱内利用释放装置以极小初速度自由释放，在悬浮装置呈完全失重状态后开启科学实验；回收科学实验载荷，并将悬浮装置停靠在停靠平台内进行固定和充电。本发明的悬浮装置及微重力实验方法充分利用舱内的完整空间和航天员的资源，实现简单，成本低，又能够达到较高的微重力水平。

Description

一种应用于太空舱内的悬浮装置及微重力实验方法

技术领域

本发明涉及微重力科学领域，特别是涉及一种应用于太空舱内的悬浮装置及微重力实验方法。

背景技术

失重状态下进行的科学实验有助于更好地探索物理规律和分析自然现象，称之为微重力科学。微重力科学包括微重力流体物理、微重力燃烧、材料科学、生物技术和基础物理等多个领域，孕育了很多科学的重大进展和技术的重大突破。

微重力实验在地面主要通过自由落体设施（落塔、落井）、抛物线飞机、微重力探空火箭、高空气球落弹舱等方式进行，时间较短，微重力水平不高。而利用空间飞行器进行微重力实验具备长时间的微重力环境，但是实验机会少且经费高。近些年来，科学实验卫星、航天飞机、载人飞船和载人空间站都为微重力科学各学科领域的发展创造了极好的机遇，并进行了非常多的空间科学实验。

但是经验证明，航天器自身会受到来自大气阻力、太阳辐射压、以及设备（如泵，电机等）产生的振动、飞行器姿轨控、航天员动作等很多的扰动。这些扰动传递到空间科学实验载荷上会影响到实验现象的结果和实验数据的可信度。航天器上的微重力水平一般在10^-4-10^-3g的量级，而很多微重力科学实验如空间流体、空间材料、基础物理要求在低频段达到10^-5g，甚至10^-6g以下的加速度水平。微重力水平越好，可能得到的科学实验结果就越理想。如何能有效地隔离各种扰动，为空间的科学实验载荷创造更好的微重力水平，已经成为空间应用技术的一个重要课题。

进行微重力科学实验具体有以下几种方法：

1）自由落塔、落井、落管设施实验：这是在地面进行微重力实验的常规方法。美国、日本、德国、加拿大和中国都建有基本几百米的落塔，可以实现约3s-10s的微重力实验，微重力水平可以达到10^-5g。

2）抛物线飞机实验：飞机爬升到45度左右，关闭发动机后作抛物线飞行，可以得到低重力环境。目前美国、俄罗斯、法国都有专门的抛物线飞机，用来进行宇航员的失重训练和一些低重力水平的科学实验。一次实验可以飞20-30次，提供20-25s、约10^-2g水平的实验。

3）探空火箭实验：火箭升空后，如果消除掉发射阶段引起的火箭旋转，就可以提供很好的微重力环境，通过降落伞收回。欧洲航天局比较重视这项技术。微重力时间一般为5min，甚至14min，理想的微重力水平可以达到10^-6g。

4）卫星实验：利用卫星进行微重力实验可以获得完成、长时间的过程。可以达到10^-5-10-⁶g的微重力水平。卫星实验又包括无人的和载人的。无人的科学实验卫星一般寿命较短，而在载人飞船、航天飞机、空间站上，由于有人的参与，可以进行更多类型的微重力实验，具有更长的实验周期和可操作性。为了更好的隔离卫星上的实验技术，国际上普遍采用隔振技术，可以进一步降低卫星上的微重力水平。

5）无拖曳卫星

近年来，为了获取更好的失重环境，用来进行重力场测量、广义相对论验证等科学研究，一些国家研究和发射了无拖曳卫星。将质量块放在卫星中间的真空腔内自由释放，控制卫星使卫星本体不与实验块碰撞，从而使质量块达到更好的微重力水平。预计这种卫星可以达到10^-12g以下的加速度水平，但是成本和代价也是相当高的，目前国际上只有GP-B卫星和GOCE卫星。

6）舱内悬浮隔振

利用有人参与的空间任务，将实验载荷利用特殊的装置在舱内释放，由于不受任何舱振动的影响，可以创造更好的微重力环境，称之为“舱内悬浮”的微重力实验方法。国际上虽然没有明确的悬浮隔振概念，但在国际空间站的很多次任务中却进行了很多次类似的尝试，因此也可以把它们称为舱内小卫星/机器人/悬浮载荷等。典型的，有SPHERE舱内小卫星，PSA卫星助手、Mini AERCam监控机器人（可舱内也可舱外）等。总之相应悬浮器的共同特点是利用舱内空间，并且可以自主推进运行，具有机器智能。这些舱内悬浮器不是用来隔振，但是如果通过组合和改造，也可以成为悬浮隔振平台，例如SPHERE slosh Experiment。由于不接触舱壁，其具有非常好的减振环境。

表1为上述几种微重力实验方法的比较。可以看出，舱内悬浮隔振的设备成本低和可靠操作性相对很多空间实验都很简单，其微重力指标却仅次于无拖曳卫星，比其他的实验方法都要好。其自由释放模式的工作时间较短，但如果加入微释放装置，则可以达到几个小时，足以进行各种实验。

表1

综上所述，针对各种微重力实验方法的特点，本发明提出了一种新的用于太空舱内的悬浮装置及微重力实验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于太空舱内的悬浮装置及微重力实验方法，用于解决在太空舱内获得较好的微重力水平的问题。

悬浮装置本发明实现上述微重力实验方法的技术方案如下：一种在太空舱内的悬浮装置，包括本体和置于本体内的电源、主控制器、传感器、载荷电源接口、载荷通信接口和载荷空间；所述载荷空间内安装有科学实验载荷；所述电源向所述主控制器供电，且通过载荷电源接口向所述科学实验载荷供电；所述主控制器与所述科学实验载荷通过载荷通信接口相互通信；所述传感器连接所述主控制器，用于采集悬浮装置信息，并将采集的信息送入主控制器进行处理。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述本体为多面体结构。

进一步，所述电源为可充电电池组，其包括可充电电池和电源转换模块，所述可充电电池设有充电接口，用于接受外部供电，且所述可充电电池通过电源转换模块将电压转换为科学实验载荷和主控制器所需的电压，再向科学实验载荷和主控制器供电。

进一步，所述传感器包括位移传感器和/或加速度传感器，所述位移传感器用于采集悬浮装置的位置信息，所述加速度传感器用于采集悬浮装置的加速度信息悬浮装置。

进一步，所述本体中还安装有微推进器和推进控制器，且所述本体外表面安装有喷嘴，所述微推进器通过推进控制器与所述主控制器相连，且同时连接安装在本体表面的喷嘴，用于在主控制器和推进控制器的调节下推进喷嘴进行动作，以保证悬浮装置不与舱壁碰撞。

本发明的技术方案还包括一种微重力实验方法，采用上述悬浮装置，包括：

步骤1，将科学实验载荷安装在悬浮装置的载荷空间内，通过载荷电源接口由悬浮装置为科学实验载荷供电，通过载荷通信接口提供科学实验载荷与悬浮装置通信的数据通道；

步骤2，将悬浮装置在太空舱内以小于0.003m/s的初速度和小于0.01rad/s的角速度自由释放，在悬浮装置呈完全失重状态后开启科学实验，并保存实验数据；

步骤3，实验结束后，回收科学实验载荷，并将悬浮装置停靠在停靠平台内进行固定和充电。

进一步，所述步骤2中采用释放装置来完成悬浮装置的自由释放，以保证将悬浮装置在太空舱内能以小于0.003m/s的初速度和小于0.01rad/s的角速度自由释放。

进一步，所述释放装置包括悬浮器磁铁组、释放杆、串联电流线圈和电位器：所述悬浮装置上布置有悬浮器磁铁组，且悬浮器磁铁组中包括若干间隔分布且S极和N极交错排列的磁铁；所述释放杆一端连接停靠平台，另一端连接悬浮装置；所述串联电流线圈缠绕在释放杆上，且其包括的线圈数量与悬浮器磁铁组中包括的磁铁数量相同，各线圈的位置与磁铁分布位置一致，每个线圈均对应一个磁铁；所述电位器，其安装在释放杆上，且连接串联电流线圈，用于逐渐调节串联电流线圈上的电流。

进一步，所述释放杆为可伸缩杆。

进一步，所述微重力实验方法还包括：通过悬浮装置自身的位移传感器检测悬浮装置的位置信息，根据检测到的位置信息判断悬浮装置是否会碰壁，若判断碰壁，则自动停止科学实验。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种在太空舱内提高微重力水平的悬浮装置，用以有效地隔离太空舱上的扰动，提高空间微重力水平，为空间科学实验提高更好的微重力环境。本发明的悬浮装置由航天员或释放装置在太空舱（如空间站）内进行释放和回收。由于悬浮装置自由飘浮在太空舱内，只受到太空舱内的微弱气动力影响，因此可以达到10-6g、10-7g甚至更低的微重力水平。此外利用其自身的可充电电池可以连续工作几个小时，并利用微推进器保持其不与舱壁碰撞。

采用本发明的悬浮装置进行微重力实验，相比于传统的主动隔振方法，其微重力水平高出一到两个量级，而且载荷可以根据需求灵活地定制和进行更换。同时，相比于无托曳卫星，实现成本和代价极低，虽然不能达到无托曳卫星10^-10g的量级，但是已经具备开展很多物理、流体、材料实验的条件，使用范围广、性价比高。

综上所述，本发明的悬浮装置及微重力实验方法其既不同于传统的隔振装置，又不同于无托曳卫星。其充分利用舱内的完整空间和航天员的资源，实现简单，又能够达到比较高的微重力水平。它是一种伴随载人航天兴起的一种新型高微重力支持设备，为空间微重力科学与应用提供了新的可选方式。

附图说明

图1为本发明实施例一的悬浮装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的悬浮装置的电子学结构示意图；

图3为本发明实施例二的悬浮装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二的悬浮装置的电子学结构示意图；

图5为本发明实施例二中采用PID控制器控制微推进器的原理示意图；

图6为悬浮装置的运行示意图；

图7为释放装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、本体，2、电源，3、主控制器，4、传感器，5、载荷空间，6、载荷电源接口，7、载荷通信接口，8、可充电电池，9、电源转换模块，10、充电接口，11、位移传感器，12、加速度传感器，13、通信接口。14、微推进器，15、推进控制器，16、喷嘴，17、释放杆，18、串联电流线圈，19、电位器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

如图1及图2所示，本实施例给出了一种悬浮装置，包括本体1和置于本体内的电源2、主控制器3、传感器4和载荷空间5，载荷空间5中设有载荷电源接口6和载荷通信接口7，将载荷电源接口6和载荷通信接口7统称为载荷接口；所述电源2连接所述主控制器3，用于向所述主控制器3供电，所述电源2同时连接载荷电源接口6，用于向实验载荷供电；所述主控制器3连接载荷通信接口7，用于实现与实验载荷的相互通信；所述传感器4连接所述主控制器，用于将传感器4采集的信息送入主控制器3进行处理。需注意的是，本实施例中主控制器、传感器等的安装位置和数目根据实际需要确定，但在确定本体内各部件的位置及数量时，要保持悬浮装置质心在中间位置。

本实施例中，所述本体1为多面体结构，其直径不超过太空舱空间的一半。所述悬浮装置的电子学结构如图2所示，所述电源2为可充电电池组，其包括可充电电池8和电源转换模块9，所述可充电电池8设有充电接口10，用于接受外部供电，且所述可充电电池8通过电源转换模块9将电压转换为实验载荷和主控制器所需的电压，再向实验载荷和主控制器供电；所述传感器4包括位移传感器11和/或加速度传感器12，所述位移传感器11用于检测悬浮装置自身的位置，所述加速度传感器12用于检测悬浮装置的加速度。

具体地，所述可充电电池可采用蓄电池；所述主控制器可采用具有通用的数据处理能力的DSP芯片、ARM芯片等，其主要作用是进行科学实验数据管理和悬浮装置控制，设有通信接口13，用于下传悬浮装置和载荷相关数据；所述位移传感器通过n（n>3）个超声波探头测量距离计算自身位置，或者通过1个或多个相机根据计算机视觉方法计算自身位置。

实施例二

实施例二在实施例一所述的悬浮装置的基础上，增加了微推进器的设计。如图3及图4所示，实施例二所述的悬浮装置，其本体中还安装有微推进器14和推进控制器15，所述微推进器14通过推进控制器15与主控制器3相连，且同时连接安装在本体外的喷嘴16，用于在主控制器3和推进控制器13的调节下推进喷嘴16进行动作，以保证悬浮装置不与舱壁碰撞。

该悬浮装置的电子学结构如图4所示，和实施例一相比，该悬浮装置多出了微推进器14（工质）、推进控制器15和喷嘴16，微推进器必须采用舱内无污染的气体，选用电加热式的水蒸气工质（或采用其他无污染的气体或电离子推进方式）。喷嘴采用的数量为大于或等于12只，或者采用大于或等于6只双方向的喷嘴，本实施例以12只喷嘴为例。

主控制器根据采集的位移传感器信息，控制在某时刻发送指令，通过推进控制器，输出微弱推进力，向与位移相反（以舱内中心为原点）的位置移动。具体原理如图5所示，采用“位移”的PID控制器作为推进控制器，包括以下三个主要实现步骤：

1）实时采集位移传感器信号，换算成6维位移信号xr(s)，送入主控制器。

2）输出力采用下列公式进行那个计算：

$F_c\left(s\right)=(k_{d}s+k_p+\frac{k_i}{s})x_r\left(s\right)$

其中，s为拉普拉斯算子其中k_d\k_p\k_i为控制器参数，k_d\k_p\k_i可以选取较小的控制参数，例如0.025\0.01\0.001。

3）得到输出力F_c(s)之后，分配到12个喷嘴进行输出。

这种方法可以获得更长的微重力实验时间，但是微重力水平相对于无任何干涉、完全自由的释放方式微重力水平稍差；而且装置较复杂。

如图6所示，给出采用上述两个悬浮装置进行微重力实验的运行方式，A1为某种太空舱，A2为太空舱内的活动空间，大约2米×2米×2米，航天员A3可以在A2内活动，A4为舱内机柜上的停靠平台。A5为悬浮装置，是直径大约300mm到500mm的类球体。悬浮装置不用时放在停靠平台内固定和充电；使用时由航天员A3或专门的释放装置释放，自由飘浮在舱内空间。

具体地，采用上述悬浮装置进行微重力实验包括以下步骤：

步骤1，将科学实验载荷安装在悬浮装置的载荷空间内，通过载荷电源接口由悬浮装置为科学实验载荷供电，通过载荷通信接口提供科学实验载荷与悬浮装置通信的数据通道。

步骤2，将悬浮装置在太空舱内自由释放，使其以很小的初速度和角速度（不超过0.003m/s和0.01rad/s）运动，不与舱壁或任何物体接触，在悬浮装置呈完全失重状态后开启科学实验，并保存实验数据。

步骤3，实验结束后，回收科学实验载荷，并将悬浮装置停靠在停靠平台内进行固定和充电。

另外，在上述过程中由悬浮装置自身的位移传感器检测到悬浮装置是否将要碰壁，若是则自动停止科学实验，并通知航天员。

所述步骤2中可采用专用的释放装置将悬浮装置在太空舱内自由释放，以实现在初速度极小的情况下释放微重力载荷。如图7所示，设计一个专用释放装置，包括悬浮器磁铁组、释放杆17、串联电流线圈18和电位器19：所述悬浮装置上布置有悬浮器磁铁组，且悬浮器磁铁组中包括若干间隔分布且S极和N极交错排列的磁铁；所述释放杆17一端连接停靠平台，另一端连接悬浮装置；所述串联电流线圈18缠绕在释放杆17上，且其包括的线圈数量与悬浮器磁铁组中包括的磁铁数量相同，各线圈的位置与磁铁分布位置一致，每个线圈均对应一个磁铁；所述电位器19，其安装在释放杆17上，且连接串联电流线圈18，用于逐渐调节串联电流线圈18上的电流。本实施例中，所述释放杆为可伸缩杆。

通过该释放装置，在航天员的帮助下，可以保证释放悬浮装置时的微小初速度和角速度。当线圈加入电流时，由于磁力平衡作用，悬浮装置和可伸缩杆会稳定在一个非接触的平衡点，类似于地面的各种磁悬浮设备一样。当达到平衡之后，航天员调节可伸缩杆上的电位器（旋钮），逐渐减小串联线圈上的电流，悬浮装置会达到新的平衡，而力会越来越弱，直到最后线圈电流完全为零，就可以让悬浮装置以零速度释放。

释放装置的原理与地面微重力落塔的释放装置类似，但是由于没有重力作用，需要用一些磁极产生相反的力，使悬浮装置与释放装置隔离。

上述两个实施例的悬浮装置充分利用舱内的完整空间和航天员的资源，实现简单，又能够达到比较高的微重力水平。下面针对实验舱内的空气流场进行分析，计算悬浮物体在舱内受到的扰动力F时产生的加速度的大小，以说明上述两个实施例的特点。

首先，定义实验舱内的环境参数和空气流场参数。

（1）实验舱内部空间大小：截面2m×2m，长度3m。

（2）进风口、排风口：暂以国际空间站的哥伦布舱的参数为参考；进/排风口都在实验舱的对角位置，每1.5m一对；进出口截面0.2m×0.2m，流速0.7m/s（大）和流速0.2m/s（小）。

（3）定义悬浮物体的参数：质量为10kg，以三种构型尺寸的悬浮物体作为分析对象，分别定义为a、b、c类。

a类悬浮体：250×400×400立方体

b类悬浮体：250×250×250立方体

c类悬浮体：直径为350的球体

（4）选择两个位置进行计算流场力：分别在舱中轴线正对进/排风口处（位置1）和两风口之间（位置2）。这两个位置都是流场风速较大的地方，所以是释放位置最坏的情况。

然后，采用ANSYS CFX对进行模拟，获得如表2所示的不同风速和载荷质量下的气动加速度。

表2

从以上数据来看，如果设计悬浮装置为球形构型，质量在30kg以上的悬浮载荷，并且在风速较小的位置释放，风速从0.08m/s到0.7m/s之间，气动力产生的加速度在0.005ug到3ug之间。即使是立方体构型，在最恶劣的情况下，加速度也在0.04ug到24ug之间。所以，可以得出结论，悬浮平台受到的气动力影响在全频段达到ug以下水平，甚至可以再低一个数量级，这远远优于普通微重力实验的技术指标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于太空舱内的悬浮装置，其特征在于，包括本体和置于本体内的电源、主控制器、传感器、载荷电源接口、载荷通信接口和载荷空间；所述载荷空间内安装有科学实验载荷；所述电源向所述主控制器供电，且通过载荷电源接口向所述科学实验载荷供电；所述主控制器与所述科学实验载荷通过载荷通信接口相互通信；所述传感器连接所述主控制器，用于采集悬浮装置信息，并将采集的信息送入主控制器进行处理。

2.根据权利要求1所述的悬浮装置，其特征在于，所述本体为多面体结构。

3.根据权利要求1所述的悬浮装置，其特征在于，所述电源为可充电电池组，其包括可充电电池和电源转换模块，所述可充电电池设有充电接口，用于接受外部供电，且所述可充电电池通过电源转换模块将电压转换为科学实验载荷和主控制器所需的电压，再向科学实验载荷和主控制器供电。

4.根据权利要求1所述的悬浮装置，其特征在于，所述传感器包括位移传感器和/或加速度传感器，所述位移传感器用于采集悬浮装置的位置信息，所述加速度传感器用于采集悬浮装置的加速度信息。

5.根据权利要求1所述的悬浮装置，其特征在于，所述本体中还安装有微推进器和推进控制器，且所述本体外表面安装有喷嘴，所述微推进器通过推进控制器与所述主控制器相连，且同时连接安装在本体表面的喷嘴，用于在主控制器和推进控制器的调节下推进喷嘴进行动作，以保证悬浮装置不与舱壁碰撞。

6.一种微重力实验方法，采用权利要求1至5中任一所述的悬浮装置，其特征在于，包括：

步骤1，将科学实验载荷安装在悬浮装置的载荷空间内，通过载荷电源接口由悬浮装置为科学实验载荷供电，通过载荷通信接口提供科学实验载荷与悬浮装置通信的数据通道；

步骤2，将悬浮装置在太空舱内以小于0.003m/s的初速度和小于0.01rad/s的角速度自由释放，在悬浮装置呈完全失重状态后开启科学实验，并保存实验数据；

步骤3，实验结束后，回收科学实验载荷，并将悬浮装置停靠在停靠平台内进行固定和充电。

7.根据权利要求6所述的微重力实验方法，其特征在于，所述步骤2中采用释放装置来完成悬浮装置的自由释放，以保证将悬浮装置在太空舱内能以小于0.003m/s的初速度和小于0.01rad/s的角速度自由释放。

8.根据权利要求7所述的微重力实验方法，其特征在于，所述释放装置包括悬浮器磁铁组、释放杆、串联电流线圈和电位器：所述悬浮装置上布置有悬浮器磁铁组，且悬浮器磁铁组中包括若干间隔分布且S极和N极交错排列的磁铁；所述释放杆一端连接停靠平台，另一端连接悬浮装置；所述串联电流线圈缠绕在释放杆上，且其包括的线圈数量与悬浮器磁铁组中包括的磁铁数量相同，各线圈的位置与磁铁分布位置一致，每个线圈均对应一个磁铁；所述电位器，其安装在释放杆上，且连接串联电流线圈，用于逐渐调节串联电流线圈上的电流。

9.根据权利要求8所述的微重力实验方法，其特征在于，所述释放杆为可伸缩杆。

10.根据权利要求6至9中任一所述的微重力实验方法，其特征在于，所述微重力实验方法还包括：通过悬浮装置自身的位移传感器检测悬浮装置的位置信息，根据检测到的位置信息判断悬浮装置是否会碰壁，若判断碰壁，则自动停止科学实验。

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