CN103863585A - 三自由度空间模拟器 - Google Patents

Abstract

三自由度空间模拟器，属于航空航天领域模拟设备领域。为了解决空间仿真试验设备存在通用性不强、成本高、机械结构复杂和维护费用昂贵的问题。它包括两自由度平动部分和单自由度旋转部分，所述模拟器的支撑面之间采用高压气瓶利用气浮原理设计，两自由度平动部分通过气浮导轨、气浮槽、X轴光栅尺和Y轴光栅尺实现水平XY方向的水平运动，单自由度旋转部分通过旋转轴、反作用飞轮和圆光栅尺实现360°顺逆时针方向的运动，所述模拟器还包括三个通信控制器，分别采集X轴方向、Y轴方向和旋转轴方向的位置信息，同时还用于驱动模拟器的喷嘴进行喷气。它用于航空航天实验模拟外太空微重力和微干扰环境。

Description

三自由度空间模拟器

技术领域

本发明涉及一种航空航天领域模拟设备，特别是一种使用于航空航天设备模拟微重力的实验环境装置。

背景技术

航天器发射之前均需要进行地面仿真模拟试验，模拟外太空环境的试验装置在航空航天技术发展上具有重要的地位。

空间模拟器全物理仿真实现过程的核心就是在地面上最大限度的减少外在的扰动，模拟其在失重状态下的姿态运动。空间模拟器依靠其自身携带的高压气瓶在大理石底座和气浮导轨，大理石底座和气浮套，旋转轴和上板之间形成气膜，产生向上的均匀作用力，抵消重力的影响。从而可以利用载物台的三个方向的运动模拟在轨运行时处于失重状态下的卫星姿态运动。

卫星姿态控制过程中通过姿态敏感器动态的测量姿态的变化，实时反馈给姿态控制计算机，姿态控制计算机通过分析计算形成控制指令，通过操作执行机构完成对卫星的姿态控制。因此为了模拟卫星的姿态运动，模拟环境的好坏直接影响到仿真结果。

但目前空间仿真试验设备存在通用性不强、成本高、机械结构复杂和维护费用昂贵的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决空间仿真试验设备存在通用性不强、成本高、机械结构复杂和维护费用昂贵的问题，本发明提供一种三自由度空间模拟器。

本发明的三自由度空间模拟器，

它包括包括基座、X轴光栅尺、气浮导轨、5个高压气瓶、X轴通信控制模块、气浮横梁、下板、旋转轴通信控制模块、反作用飞轮、上板、旋转轴、3个调压阀、6个带有电磁阀的喷嘴、气浮套、Y轴光栅尺、圆光栅尺和Y轴通信控制模块；

基座的顶面上设有两条互相平行的气浮槽，气浮横梁设置在基座上，气浮横梁的两端的底部分别固定有气浮导轨，且两个气浮导轨分别设置在基座的两条气浮槽内，所述气浮横梁顶部的两端分别设置一个高压气瓶，所述两个高压气瓶分别用于驱动两个浮导轨形成气浮面，X轴光栅尺设置在基座上，且与气浮槽平行对齐设置；X轴通信控制模块设置在靠近X轴光栅尺的气浮导轨上；

气浮套在气浮横梁的中部，下板设置在气浮套的顶部，下板的中心位置与旋转轴的固定端固定连接，所述下板上设置有2个高压气瓶、2个调压阀、4个带电磁阀的喷嘴和Y轴通信控制模块，所述2个高压气瓶分别设置在旋转轴的两侧；且所述2个高压气瓶的出气口分别与所述2个调压阀的进气口连通；所述2个调压阀的出气口同时与所述4个带电磁阀的喷嘴的进气口连通；所述4个带电磁阀的喷嘴的位置关于下板的中心位置且均匀分布；

Y轴光栅尺固定在气浮横梁上，所述Y轴光栅尺与气浮横梁的长度方向平行；

旋转轴的旋转端与上板的中心位置固定连接，所述上板的底面上固定由1个高压气瓶、旋转轴通信控制模块、蓄电池、1个调压阀和2个带有电磁阀的喷嘴，所述高压气瓶的出气口与所述调压阀的进气口连通，该调压阀的出气口同时与所述2个带有电磁阀的喷嘴的进气口连通；所述2个带有电磁阀的喷嘴的位置关于上板的中心位置呈镜像对称；反作用飞轮和圆光栅尺固定在上板的顶面上，该反作用飞轮的转轴、所述圆光栅尺中心轴线和旋转轴的中心轴线均重合；

X轴光栅尺的X轴检测信号输出端与X轴通信控制模块的X轴检测信号输入端连接，

Y轴光栅尺的Y轴检测信号输出端与Y轴通信控制模块的Y轴检测信号输入端连接，

圆光栅尺的旋转轴检测信号输出端与Y轴通信控制模块的旋转轴检测信号输入端连接；

反作用飞轮的力矩速率信号输出端与旋转轴通信控制模块的力矩速率信号输入端连接；

Y轴通信控制模块的喷气控制信号输出端与位于下板的4个带有电磁阀的喷嘴的喷气控制信号输入端连接，

旋转轴通信控制模块的喷气控制信号输出端与位于上板的2个带有电磁阀的喷嘴的喷气控制信号输入端连接；

旋转轴通信控制模块的力矩速率控制信号输出端与反作用飞轮的力矩速率控制信号输入端连接。

本发明的优点在于，

（1）通用性强

本发明装载能力大于100kg，且采用平面设计，满足大多数航天器仿真的需要。

（2）结构简单、维护方便

本发明的基座、气浮导轨、气浮横梁和气浮套采用大理石，性能稳定、耐腐蚀、美观大气。上下板、相关紧固件采用硬铝合金，质量轻、强度高、不易生锈。

（3）精度高

本发明采用解耦设计，便于各个自由度独立运动，平动位置控制精度优于1毫米，姿态角控制精度优于2×10^-3度。

（4）扰动小

本发明采用气浮技术，材料选用光滑度较高的大理石面和硬铝合金，摩擦力小。

（5）实时性好

本发明采用RTX处理，实现微秒级准确定时控制。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的三自由度空间模拟器的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的右视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的三自由度空间模拟器，它包括基座1、X轴光栅尺2、气浮导轨3、5个高压气瓶4、X轴通信控制模块5、气浮横梁6、下板7、旋转轴通信控制模块8、反作用飞轮9、上板10、旋转轴11、3个调压阀12、6个带有电磁阀的喷嘴13、气浮套14、Y轴光栅尺15、圆光栅尺16和Y轴通信控制模块17；

基座1的顶面上设有两条互相平行的气浮槽18，气浮横梁6设置在基座1上，气浮横梁6的两端的底部分别固定有气浮导轨3，且两个气浮导轨3分别设置在基座1的两条气浮槽内，所述气浮横梁6顶部的两端分别设置一个高压气瓶4，所述两个高压气瓶4分别用于驱动两个浮导轨3形成气浮面，X轴光栅尺2设置在基座1上，且与气浮槽平行对齐设置；X轴通信控制模块5设置在靠近X轴光栅尺2的气浮导轨3上；

气浮套14在气浮横梁6的中部，下板7设置在气浮套14的顶部，下板7的中心位置与旋转轴11的固定端固定连接，所述下板7上设置有2个高压气瓶4、2个调压阀12、4个带电磁阀的喷嘴13和Y轴通信控制模块17，所述2个高压气瓶4分别设置在旋转轴11的两侧；且所述2个高压气瓶4的出气口分别与所述2个调压阀12的进气口连通；所述2个调压阀12的出气口同时与所述4个带电磁阀的喷嘴13的进气口连通；所述4个带电磁阀的喷嘴13的位置关于下板7的中心位置且均匀分布；

Y轴光栅尺15固定在气浮横梁6上，所述Y轴光栅尺15与气浮横梁6的长度方向平行；

旋转轴11的旋转端与上板的中心位置固定连接，所述上板的底面上固定由1个高压气瓶4、旋转轴通信控制模块8、蓄电池、1个调压阀12和2个带有电磁阀的喷嘴13，所述高压气瓶4的出气口与所述调压阀12的进气口连通，该调压阀12的出气口同时与所述2个带有电磁阀的喷嘴13的进气口连通；所述2个带有电磁阀的喷嘴13的位置关于上板的中心位置呈镜像对称；反作用飞轮9和圆光栅尺16固定在上板的顶面上，该反作用飞轮9的转轴、所述圆光栅尺16中心轴线和旋转轴11的中心轴线均重合；

X轴光栅尺2的X轴检测信号输出端与X轴通信控制模块5的X轴检测信号输入端连接，

Y轴光栅尺15的Y轴检测信号输出端与Y轴通信控制模块17的Y轴检测信号输入端连接，

圆光栅尺16的旋转轴检测信号输出端与Y轴通信控制模块17的旋转轴检测信号输入端连接；

反作用飞轮9的力矩速率信号输出端与旋转轴通信控制模块8的力矩速率信号输入端连接；

Y轴通信控制模块17的喷气控制信号输出端与位于下板7的4个带有电磁阀的喷嘴13的喷气控制信号输入端连接，

旋转轴通信控制模块8的喷气控制信号输出端与位于上板10的2个带有电磁阀的喷嘴13的喷气控制信号输入端连接；

旋转轴通信控制模块8的力矩速率控制信号输出端与反作用飞轮的力矩速率控制信号输入端连接。

为了增加稳定性，所述基座1采用大理石材料制作。在实际应用时，大理石基座1放置在水平面上，X轴光栅尺2安装在基座一侧，气浮导轨3分别固定在气浮横梁6的两端，呈平行分布，气浮横梁6一侧安装有Y轴光栅尺，同时气浮横梁6两端分别安装有一个9L高压气瓶4，

气浮套14支撑下板7、旋转轴和上板10。在气浮状态，气浮横梁6与气浮套14之间上下面不接触。下板7配有两个9L高压气瓶4、两个调压阀、四个喷嘴、Y轴通信控制模块17。上板10与下板7间安装有旋转轴，并在其与上板10连接端安装有圆光栅尺16。上板10下配有一个4L高压气瓶、一个调压阀、2个喷嘴和旋转轴控制模块。上板10上面中间安装有最大角动量为1.5Nms的反作用飞轮。本实施方式所述的三自由度空间模拟器包括两自由度平动部分和单自由度旋转部分。其中两自由度平动部分由平动气浮台沿X、Y向气浮导轨运动实现，平动气浮台和旋转气浮台均安放在一个气浮横梁6上，气浮横梁6可沿基座上的两条气浮槽运动，而平动气浮台可沿大理石气浮横梁运动，从而试验台可实现两自由度的平动。旋转气浮台安装在平动气浮台上的旋转轴上，可实现旋转自由度。其中平动台安放了四个喷嘴，作为平动执行机构，用以实现XY方向的运动；上板安放了2个喷嘴和一个反作用飞轮，两个喷嘴分别作为执行机构和外部干扰力矩模拟器。所述平动气浮台由下板、气浮横梁和气浮导轨组成，所述旋转气浮台由上板和旋转轴组成。

为了避免电缆对气浮台的干扰，本实施方式的模拟器采用蓄电池供电。将高压气瓶均放置在平动气浮台上，这样还可以有效减少气浮台的扰动。同时气路上带有调压阀，可方便调节喷嘴气体压力，避免了压力变化给仿真结果带来的不良影响。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的三自由度空间模拟器的进一步限定，所述气浮导轨3的底部设有2×6个直径为0.15mm气浮孔，气浮套14的底板上设有4×6个直径为0.15mm气浮孔。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的三自由度空间模拟器的进一步限定，所述喷嘴13为拉瓦尔喷嘴。

Claims (2)

1.三自由度空间模拟器，其特征是在于，它包括基座（1）、X轴光栅尺（2）、气浮导轨（3）、5个高压气瓶（4）、X轴通信控制模块（5）、气浮横梁（6）、下板（7）、旋转轴通信控制模块（8）、反作用飞轮（9）、上板（10）、旋转轴（11）、3个调压阀（12）、6个带有电磁阀的喷嘴（13）、气浮套（14）、Y轴光栅尺（15）、圆光栅尺（16）和Y轴通信控制模块（17）；

基座（1）的顶面上设有两条互相平行的气浮槽（18），气浮横梁（6）设置在基座（1）上，气浮横梁（6）的两端的底部分别固定有气浮导轨（3），且两个气浮导轨（3）分别设置在基座（1）的两条气浮槽（18）内，所述气浮横梁（6）顶部的两端分别设置一个高压气瓶（4），所述两个高压气瓶（4）分别用于驱动两个浮导轨3形成气浮面，X轴光栅尺（2）设置在基座（1）上，且与气浮槽（18）平行对齐设置；X轴通信控制模块（5）设置在靠近X轴光栅尺（2）的气浮导轨（3）上；

气浮套（14）在气浮横梁（6）的中部，下板（7）设置在气浮套（14）的顶部，下板（7）的中心位置与旋转轴（11）的固定端固定连接，所述下板（7）上设置有2个高压气瓶（4）、2个调压阀（12）、4个带电磁阀的喷嘴（13）和Y轴通信控制模块（17），所述2个高压气瓶（4）分别设置在旋转轴（11）的两侧；且所述2个高压气瓶（4）的出气口分别与所述2个调压阀（12）的进气口连通；所述2个调压阀（12）的出气口同时与所述4个带电磁阀的喷嘴（13）的进气口连通；所述4个带电磁阀的喷嘴（13）的位置关于下板（7）的中心位置且均匀分布；

Y轴光栅尺（15）固定在气浮横梁（6）上，所述Y轴光栅尺（15）与气浮横梁（6）的长度方向平行；

旋转轴（11）的旋转端与上板的中心位置固定连接，所述上板的底面上固定由1个高压气瓶（4）、旋转轴通信控制模块（8）、蓄电池、1个调压阀（12）和2个带有电磁阀的喷嘴（13），所述高压气瓶（4）的出气口与所述调压阀（12）的进气口连通，该调压阀（12）的出气口同时与所述2个带有电磁阀的喷嘴（13）的进气口连通；所述2个带有电磁阀的喷嘴（13）的位置关于上板的中心位置呈镜像对称；反作用飞轮（9）和圆光栅尺（16）固定在上板的顶面上，该反作用飞轮（9）的转轴、所述圆光栅尺（16）中心轴线和旋转轴（11）的中心轴线均重合；

X轴光栅尺（2）的X轴检测信号输出端与X轴通信控制模块（5）的X轴检测信号输入端连接，

Y轴光栅尺（15）的Y轴检测信号输出端与Y轴通信控制模块（17）的Y轴检测信号输入端连接，

圆光栅尺（16）的旋转轴检测信号输出端与Y轴通信控制模块（17）的旋转轴检测信号输入端连接；

反作用飞轮（9）的力矩速率信号输出端与旋转轴通信控制模块（8）的力矩速率信号输入端连接；

Y轴通信控制模块（17）的喷气控制信号输出端与位于下板（7）的4个带有电磁阀的喷嘴（13）的喷气控制信号输入端连接，

旋转轴通信控制模块（8）的喷气控制信号输出端与位于上板（10）的2个带有电磁阀的喷嘴（13）的喷气控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的三自由度空间模拟器，其特征在于，所述气浮导轨（3）的底部设有2×6个直径为0.15mm气浮孔，气浮套（14）的底板上设有4×6个直径为0.15mm气浮孔。

3根据权利要求1所述的三自由度空间模拟器，其特征在于，所述喷嘴（13）为拉瓦尔喷嘴。

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