CN104058111B - 空间系绳系统地面试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间系绳系统地面试验装置，适用于初步检验空间系绳系统长系绳展开过程中动力学模型和控制理论研究成果，可以测试不同扰动作用下系统和控制算法的可靠性，且结构简单，系绳可循环使用。

Description

空间系绳系统地面试验装置

技术领域

本发明属于航天技术领域，涉及一种空间系绳系统地面试验装置。

背景技术

空间系绳系统是通过系绳将小航天器与基站航天器连接起来而形成的新型空间飞行器，是非常有前景的空间科学发展方向。它在近地空间和深空探测方面具有广阔的应用前景，如产生人造重力、空间运输、从轨道上回收有效载荷、从空间站上发射小卫星、利用地球地磁场进行轨道机动、建造轨道电站、探测大气层及地磁场和重力场等。在空间系绳系统的研究与应用过程中，研制系绳展开控制机构原理样机并建立地面模拟仿真试验平台开展地面试验验证研究是一项基础而非常重要的工作。地面模拟试验装置是用来初步检验航天系统动力学和控制理论研究成果的重要工具，通常作为代价昂贵且耗时的在轨飞行实验的必要准备步骤。南京航空航天大学的国家自然科学基金项目“绳系控制系统非线性动力学：理论和实验研究”(编号：10372039)在借鉴国外研究成果基础之上根据天-地动力学相似原理,设计了圆轨道系绳卫星面内运动地面试验系统。该试验系统的特点在于利用气垫和喷气模拟系绳系统的空间动力学环境,如重力梯度和科氏力。但仍存在不足之处，由于地面试验系统的空间局限性，系绳展开最大长度仅为3m，而实际空间系绳系统的系绳长度可达几十公里。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的第一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种系绳可重复利用且结构简单、成本低、适用于长达几十公里的长系绳展开测试试验的地面试验装置。

本发明的第二个目的在于提供一种采用了上述地面试验装置完成基站航天器上系绳释放长度的测量和制动控制功能以及小航天器上系绳对基站航天器作用的模拟，可以初步检验空间系绳系统长系绳展开过程中动力学模型和控制理论研究成果，测试不同扰动作用下系统和控制算法的可靠性。

技术方案

一种空间系绳系统地面试验装置，其特征在于包括底座1、定滑轮2、测速机构、制动控制机构、张力测量机构和空间环境模拟机构；定滑轮2、测速机构、制动控制机构、张力测量机构和空间环境模拟机构固定安装在底座1上；所述测速机构包括测速轮401、磁铁402、导向杆3、霍尔传感器403和第一支座404，测速轮401安装在第一支座404上，测速轮401轮盘的一面上均匀安装有四块磁铁402，与磁铁直接靠近的第一支座404的一侧上固定一个霍尔传感器403，导向杆3位于霍尔传感器403外侧，系绳5缠绕测速轮401一圈，系绳5释放过程中带动测速轮401转动，霍尔传感器403感应磁铁产生脉冲信号来测量测速轮401的转数；所述制动控制机构包括控制电机601和摩擦轮602，系绳5缠绕摩擦轮602一圈，控制电机601带动摩擦轮602转动，与系绳5之间产生摩擦力来控制系绳5释放速度；所述张力测量机构包括第二支座701和应变传感器702，应变传感器702安装在第二支座701上，系绳5穿过第二支座701产生弹性形变通过应变传感器702测量系绳张力；所述空间环境模拟机构包括上皮带轮802、下皮带轮803、张紧轮805、皮带804、支架801和随动电机806，上皮带轮802、下皮带轮803和张紧轮805安装在支架801上，系绳5缠绕张紧轮805半圈，上皮带轮802、下皮带轮803和皮带804使系绳5嵌入张紧轮805中，以防系绳5跟张紧轮805产生相对滑动，随动电机806控制张紧轮805转动，张紧轮805的转动带动系绳5释放，以此来模拟空间环境重力梯度力。

所述的摩擦轮602上涂有防滑材料。

所述定滑轮2设有两个转轮，系绳通过定滑轮上面的转轮和测速轮相连，下面的转轮通过系绳和定滑轮上面的转轮相连，使系绳释放后又进行回收，循环使用。

有益效果

本发明提出的一种空间系绳系统地面试验装置，适用于初步检验空间系绳系统长系绳展开过程中动力学模型和控制理论研究成果，可以测试不同扰动作用下系统和控制算法的可靠性，且结构简单，系绳可循环使用。

附图说明

图1空间系绳系统地面试验装置俯视图

图2空间系绳系统地面试验装置主视图

图3系绳长度测量机构结构示意图

图4空间环境模拟机构结构示意图

1-底座；2-定滑轮；3-导向杆；401-测速轮；402-磁铁；403-霍尔传感器；404-第一支座；5-系绳；601-控制电机；602-摩擦轮；701-第二支座；702-应变传感器；801-支架；802-上皮带轮；803-下皮带轮；804-皮带；805-张紧轮；806-随动电机；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所述的一种空间系绳系统地面试验装置，包括底座1、定滑轮2、测速机构、制动控制机构、张力测量机构和空间环境模拟机构；定滑轮2、测速机构、制动控制机构、张力测量机构和空间环境模拟机构固定安装在底座1上；定滑轮2设有两个转轮，系绳通过定滑轮上面的转轮和测速轮相连，下面的转轮通过系绳和定滑轮上面的转轮相连，使系绳释放后又进行回收，循环使用；所述测速机构包括测速轮401、磁铁402、导向杆3、霍尔传感器403和第一支座404，测速轮401安装在第一支座404上，测速轮401轮盘的一面上均匀安装有四块磁铁402，与磁铁直接靠近的第一支座404的一侧上固定一个霍尔传感器403，导向杆3位于霍尔传感器403外侧，系绳5缠绕测速轮401一圈，系绳5释放过程中带动测速轮401转动，霍尔传感器403感应磁铁产生脉冲信号来测量测速轮401的转数；所述制动控制机构包括控制电机601和摩擦轮602，系绳5缠绕摩擦轮602一圈，摩擦轮602上涂有防滑材料，控制电机601带动摩擦轮602转动，与系绳5之间产生摩擦力来控制系绳5释放速度；所述张力测量机构包括第二支座701和应变传感器702，应变传感器702安装在第二支座701上，系绳5穿过第二支座701产生弹性形变通过应变传感器702测量系绳张力；所述空间环境模拟机构包括上皮带轮802、下皮带轮803、张紧轮805、皮带804、支架801和随动电机806，上皮带轮802、下皮带轮803和张紧轮805安装在支架801上，系绳5缠绕张紧轮805半圈，上皮带轮802、下皮带轮803和皮带804使系绳5嵌入张紧轮805中，以防系绳5跟张紧轮805产生相对滑动，随动电机806控制张紧轮805转动，张紧轮805的转动带动系绳5释放，以此来模拟空间环境重力梯度力。

本发明空间系绳系统地面试验装置通过基站航天器上的设备模块和小航天器上的设备模块来完成空间系绳系统地面展开试验。基站航天器上的设备模块完成所释放的系绳长度、速度的测量和制动控制机构的控制；小航天器上的设备模块完成空间环境的模拟以及系绳张力的测量。

基站航天器上的设备模块包括测速机构和制动控制机构，完成基站航天器上的对系绳展开长度、速度的测量，并通过改变系绳与摩擦轮之间的摩擦力，进而改变系绳运动速度和张力，来控制空间系绳系统的展开过程。系绳释放长度可以通过测量系绳缠绕的测速轮转数来计算，从而可以得到系绳释放的速度。测速轮的材料应保证与系绳良好的接合，避免打滑。测速轮轮盘上安装有磁铁，为了测速轮上的平衡，安装四个磁铁，而在与磁铁直接靠近的支架上固定一个霍尔传感器作为敏感元件，从而测量测速轮的转数。测速轮半径为R＝15.92cm，根据圆周长公式有L＝2πR＝1m，那么展开一米系绳内将产生4脉冲，可在微控制器中计算这些脉冲。测速轮转一圈相当于系绳释放1m，计算每秒的转数，即得到系绳释放速度。地面试验开始运行后，将会利用张力测量机构的应变传感器信号作为输入信号，制动控制机构作为控制装置对系绳释放过程进行控制。制动控制机构控制可以保证系绳张力任务的最大精度，最小制动力0.01N，最大制动力5N。制动控制机构利用步进控制电机使摩擦轮与系绳之间产生摩擦力来控制释放速度。当控制电机与随动电机转数不一致时摩擦轮与系绳之间产生相对滑动从而产生摩擦力，通过调节控制电机与随动电机的转数差来改变系绳对摩擦轮的摩擦力，进而改变系绳运动速度和张力，来控制空间系绳系统的展开过程。

小航天器上的设备模块包括张力测量机构和空间环境模拟机构，实现小航天器上对系绳张力的测量以及系绳对基站航天器的重力梯度力作用。张力测量机构对系绳进行应变测量，系绳展开过程中张力在0.01-3N范围内变化，根据这个要求，选择VishayPrecisionGroup公司的应变传感器1004型作为系绳张力测量敏感元件，这个应变传感器的测量上限为300gf(约3N)。根据上述测速机构测得的系绳所释放的长度计算重力作用差，即重力梯度力。根据张力测量机构所测得的张力与重力梯度力的关系来设定随动电机的转速。上下皮带轮和皮带使系绳紧紧嵌入张紧轮中，以防系绳跟张紧轮产生相对滑动，随动电机控制张紧轮转动，张紧轮的转动带动系绳释放，以此来模拟空间环境。

本实施例提供的地面试验装置能够控制释放速度在0-25m/s之间任意变化并且提供超过25N的拉力，适用于初步检验空间系绳系统长系绳展开过程中动力学模型和控制理论研究成果，可以测试不同扰动作用下系统和控制算法的可靠性，且结构简单，系绳可循环使用。

Claims (3)

1.一种空间系绳系统地面试验装置，包括系绳(5)、底座(1)和制动控制机构，制动控制机构固定安装在底座(1)上，所述制动控制机构包括控制电机(601)和摩擦轮(602)，系绳(5)缠绕摩擦轮(602)一圈，控制电机(601)带动摩擦轮(602)转动，与系绳(5)之间产生摩擦力来控制系绳(5)释放速度；其特征在于还包括定滑轮(2)、测速机构、张力测量机构和空间环境模拟机构；定滑轮(2)、测速机构、张力测量机构和空间环境模拟机构固定安装在底座(1)上；所述测速机构包括测速轮(401)、磁铁(402)、导向杆(3)、霍尔传感器(403)和第一支座(404)，测速轮(401)安装在第一支座(404)上，测速轮(401)轮盘的一面上均匀安装有四块磁铁(402)，与磁铁直接靠近的第一支座(404)的一侧上固定一个霍尔传感器(403)，导向杆(3)位于霍尔传感器(403)外侧，系绳(5)缠绕测速轮(401)一圈，系绳(5)释放过程中带动测速轮(401)转动，霍尔传感器(403)感应磁铁产生脉冲信号来测量测速轮(401)的转数；所述张力测量机构包括第二支座(701)和应变传感器(702)，应变传感器(702)安装在第二支座(701)上，系绳(5)穿过第二支座(701)产生弹性形变通过应变传感器(702)测量系绳张力；所述空间环境模拟机构包括上皮带轮(802)、下皮带轮(803)、张紧轮(805)、皮带(804)、支架(801)和随动电机(806)，上皮带轮(802)、下皮带轮(803)和张紧轮(805)安装在支架(801)上，系绳(5)缠绕张紧轮(805)半圈，上皮带轮(802)、下皮带轮(803)和皮带(804)使系绳(5)嵌入张紧轮(805)中，以防系绳(5)跟张紧轮(805)产生相对滑动，随动电机(806)控制张紧轮(805)转动，张紧轮(805)的转动带动系绳(5)释放，以此来模拟空间环境重力梯度力。

2.根据权利要求1所述的一种空间系绳系统地面试验装置，其特征在于所述的摩擦轮(602)上涂有防滑材料。

3.根据权利要求1所述的一种空间系绳系统地面试验装置，其特征在于所述定滑轮(2)设有两个转轮，系绳通过定滑轮上面的转轮和测速轮相连，下面的转轮通过系绳和定滑轮上面的转轮相连，使系绳释放后又进行回收，循环使用。