CN104460341B - 一种模拟火箭发射的索机构实验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟火箭发射的索机构实验装置，为七索驱动结构，包括绳索、推力施加装置、扰动施加机构和负载平台，绳索共有七根，一根为推力施加绳索，另六根为扰动施加绳索，推力施加绳索一端连接推力施加装置，另一端连接在负载平台的上方，各个扰动施加绳索一端连接在负载平台的下方，另一端分别连接在扰动施加机构上，推力施加装置通过推力施加绳索驱动负载平台上下升降以模拟火箭以不同加速度垂直发射的过程，扰动施加机构通过改变各个扰动施加绳索的伸长、缩短和索力大小模拟出负载平台位姿的改变并实现外部干扰力和力矩的施加，本发明能够实现在火箭发射过程中引入任意外扰力和力矩且火箭加速度可变的发射过程模拟。

Description

一种模拟火箭发射的索机构实验装置

技术领域

本发明属于火箭发射地面模拟设备技术领域，特别涉及一种模拟火箭发射的索机构实验装置。

背景技术

火箭发射模拟试验设备可模拟火箭点火、上升过程的运动状态和受力情况，在航天领域有着广泛需求，主要应用于辅助火箭各部件的设计，检测火箭类飞行器在试中各种性能适应性，各部件可靠性等。目前采用的火箭发射模拟方法和装备主要侧重于对火箭点火姿态的模拟，对火箭上升过程中的模拟则主要采用数值仿真模拟的方法。

对火箭点火姿态的模拟装置主要采用机械轨道结构针对发动机实验或伺服机构、姿控动力系统专项试验开展，实验装置只可使被测设备围绕某一旋转中心摆动较小角度，且不能沿轴向运动。国外开发了类似模拟火箭点火姿态的试验装置——发射燃气动力学室内试验系统，但结构尺寸小，只能对发动机进行模拟，且姿态调整范围小，只可开展稳态研究。国内相关专利(CN101750214A)主要采用弹簧滑轨设计，可模拟火箭点火后箭身沿轨道运动，火箭的姿态和旋转角度则由液压和飞轮机构控制，但试验行程有限，只可用于模拟点火阶段。

火箭上升过程中的模拟目前主要采用计算机数值仿真的方法，对火箭上升过程进行动力学建模，采用预设的动力学模型和外扰动力模型计算出火箭上升过程的运动状态，数值模拟的方法在一定程度上可以模拟火箭上升过程，但是模拟实验效果取决于预设模型，与真实羽流状态有一定差别。

上述两种方法可以在一定程度上实现对火箭发射过程的模拟，但是均存在一些不足之处，尤其对于火箭发射上升阶段测试具有随机性和不确定性的羽流扰动对火箭运动状态的实验而言，目前具有的地面实物实验装置只可以对火箭或部分部件进行小角度的姿态模拟，且只可以模拟火箭点火及点火后小范围时间内的运动状态；而采用数值模拟的方法，则模拟实验结果取决于预设模型和实际情况的相似程度，在模拟精度和效果上与实物模拟还有一定差距，以上两种方法都无法实现对任意扰动力的叠加施加。因此有必要开发一种新的火箭发射模拟试验设备，用于模拟火箭垂直发射并在发射过程中施加扰动力并改变姿态角的实验。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟火箭发射的索机构实验装置，克服了上述模拟火箭发射技术不能用于模拟火箭在发射过程角度变化和叠加任意方向扰动力和力矩的不足，基于索驱动，采用七索并联，可实现任意向上推力并实时施加任意外扰力和力矩，模拟出动平台位姿的改变。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟火箭发射的索机构实验装置，为七索驱动结构，包括绳索、推力施加装置、扰动施加机构和负载平台2，所述绳索共有七根，一根为推力施加绳索5，另六根为扰动施加绳索3，推力施加绳索5一端连接推力施加装置，另一端连接在负载平台2的上方，各个扰动施加绳索3一端连接在负载平台2的下方，另一端分别连接在扰动施加机构上，推力施加装置通过推力施加绳索5驱动负载平台2上下升降以模拟火箭以不同加速度垂直发射的过程，扰动施加机构通过改变各个扰动施加绳索3的伸长、缩短和索力大小，以模拟出负载平台2位姿的改变并实现外部干扰力和力矩的施加。

所述推力施加装置由两个绳索导向轮4和一个配重块6组成，推力施加绳索5设置在天车1下，绕过绳索导向轮4，一端悬吊负载平台2，另一端悬吊配重块6。

所述六根扰动施加绳索3在负载平台2的下方共有三个连接点，每个连接点上连接两根扰动施加绳索3且该两根扰动施加绳索3之间的夹角为100°。

所述扰动施加机构包括电机7和绕线轮9，其中，扰动施加绳索3连接在绕线轮9上，电机7连接绕线轮9带动扰动施加绳索3的运动。

所述扰动施加机构共有六个，分成三组，每组两个，每组扰动施加机构位于一个固定平台11上。

所述每个固定平台11上安装有一个用于测量负载平台2位姿和运动状态的激光跟踪仪12，根据激光跟踪仪12的检测数据，通过控制电机7的正反转改变扰动施加绳索3的长短，进而控制负载平台2的位姿。

所述电机7采用位置模式下的力位混合控制，电机7上设置有力矩传感器8，根据力矩传感器8的检测数据，闭环控制扰动施加绳索3的索力，从而实现在火箭发射过程中引入任意外扰力和力矩且火箭加速度可变的发射过程模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

⑴采用七索并联机构，推力施加绳索5和扰动力施加绳索3分别控制，模拟火箭垂直加速上升过程可具有较大的工作空间、高动态特性且易于外扰力的引入。

⑵可根据模拟要求，通过改变配重块6大小。实现对火箭垂直加速上升过程加速度可变的模拟。

⑶可通过索力解算和叠加，实现对任意方向、大小的外扰力和力矩的叠加施加。

附图说明

附图1为一种模拟火箭发射的索机构实验装置示意图。

附图2为一种模拟火箭发射的索机构实验装置扰动施加绳索布局俯视图。

附图图标说明：1-天车；2-负载平台；3-扰动施加绳索；4-绳索导向轮；5-推力施加绳索；6-配重；7-电机；8-力矩传感器；9-绕线轮；10-安装托架；11-固定平台；12-激光跟踪仪。

A1—A6为扰动施加绳索与扰动施加装置中的绕线轮连接位置；B1—B6为扰动施加绳索与负载平台连接位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明涉及一种基于索驱动的七索并联、可实现任意向上推力并实时叠加施加任意外扰力和力矩的模拟装置。如图1和图2所示，主要包括固定框架、绳索2、推力施加装置、扰动施加机构、负载平台2、激光跟踪仪12等，固定框架包括天车1和三个固定平台11，三个固定平台11均布于负载平台2下方；推力施加装置由两个绳索导向轮4和配重块6组成，绳索导向轮4安装于天车1上；扰动施加机构主要包括安装托架10、电机7、绕线轮9、力矩传感器8等，扰动施加机构共有六组，两两一组安装于固定平台11上，力矩传感器8可实时测量电机7输出的力矩；绳索由一根推力施加绳索5和六根扰动施加绳索3组成，推力施加绳索5一端连接负载平台2，另一端绕过两个绳索导向轮4后连接配重块6，推力施加绳索5悬吊负载平台2并在推力施加装置的驱动下，为负载平台2提供向上的推力。六根扰动施加绳索3在负载平台2的下方共有三个连接点，每个连接点上连接两根扰动施加绳索3且该两根扰动施加绳索3之间的夹角为100°。扰动施加绳索3另一端连接扰动施加装置，绕在绕线轮9上，绕线轮9连接电机7，二者均安装在安装托架10上，六个安装托架10两两一组，分别安装在三个固定平台11上。

激光跟踪仪12共有三个，分别安装于三个固定平台11上，三个激光跟踪仪12用于测量负载平台2的位姿和运动状态，测得的位姿数据反馈给扰动施加装置，通过控制电机7的正反转改变绳索长短，控制动平台位姿。扰动施加机构中的伺服电机7采用位置模式下的力位混合控制，力矩传感器8将测得的力矩反馈给电机7，闭环控制扰动施加绳索3的索力，从而实现在火箭发射过程中引入任意外扰力和力矩且火箭加速度可变的发射过程模拟。

本发明模拟实现推力大小的改变的过程为：推力施加装置通过改变配重块6重量大小控制对推力施加绳索5的驱动力，配重块6的重量可根据负载平台2的重量调整，以获得实验所需要的推力大小，推力施加绳索5经过安装在天车1上的两个绳索导向轮4连接配重块6和负载平台2，配重块6做自由落体运动运动，通过推力施加绳索5带动负载平台2向上做匀加速运动，匀加速运动的加速度大小由配重块6的重量和负载平台2的重量决定，从而实现了火箭加速度可变的发射过程模拟。

本发明模拟火箭发射过程中改变负载平台2位姿并对负载平台2引入任意外扰力和力矩，过程为：外扰力施加装置共有六组，分别驱动六根扰动施加绳索3，可实时控制扰力施加绳索的长度并改变扰力施加绳索上的索力，干扰力和力矩由六根扰力施加绳索共同提供并施加于负载平台2上，扰动施加装置的伺服电机7采用位置模式下的力位混合控制，扰动施加绳索3上的所需施加的力按照实验要求输入的扰动力和力矩事先通过索力分配方法计算得出，同时根据三台激光跟踪仪12实时测得的负载平台2的位姿，得到拉力和绳索的长度变化指令，结合电机7上的角度编码器等位置传感器以及装置安装的力矩传感器8和激光跟踪仪12实现伺服电机7驱动绳索拉力和长度变化的半闭环控制，进而实现了由扰动施加机构驱动按照实验要求控制绳索的长度改变动平台位姿并控制索力实现叠加施加外部干扰力和力矩。

Claims (2)

1.一种模拟火箭发射的索机构实验装置，为七索驱动结构，包括绳索、推力施加装置、扰动施加机构和负载平台(2)，其特征在于，所述绳索共有七根，一根为推力施加绳索(5)，另六根为扰动施加绳索(3)，推力施加绳索(5)一端连接推力施加装置，另一端连接在负载平台(2)的上方，各个扰动施加绳索(3)一端连接在负载平台(2)的下方，另一端分别连接在扰动施加机构上，推力施加装置通过推力施加绳索(5)驱动负载平台(2)上下升降以模拟火箭以不同加速度垂直发射的过程，扰动施加机构通过改变各个扰动施加绳索(3)的伸长、缩短和索力大小，以模拟出负载平台(2)位姿的改变并实现外部干扰力和力矩的施加；其中所述推力施加装置由两个绳索导向轮(4)和一个配重块(6)组成，推力施加绳索(5)设置在天车(1)下，绕过绳索导向轮(4)，一端悬吊负载平台(2)，另一端悬吊配重块(6)；

所述扰动施加机构包括电机(7)和绕线轮(9)，其中，扰动施加绳索(3)连接在绕线轮(9)上，电机(7)连接绕线轮(9)带动扰动施加绳索(3)的运动；所述扰动施加机构共有六个，分成三组，每组两个，每组扰动施加机构位于一个固定平台(11)上；所述每个固定平台(11)上安装有一个用于测量负载平台(2)位姿和运动状态的激光跟踪仪(12)，根据激光跟踪仪(12)的检测数据，通过控制电机(7)的正反转改变扰动施加绳索(3)的长短，进而控制负载平台(2)的位姿；所述电机(7)采用位置模式下的力位混合控制，电机(7)上设置有力矩传感器(8)，根据力矩传感器(8)的检测数据，闭环控制扰动施加绳索(3)的索力，从而实现在火箭发射过程中引入任意外扰力和力矩且火箭加速度可变的发射过程模拟。

2.根据权利要求1所述模拟火箭发射的索机构实验装置，其特征在于，所述六根扰动施加绳索(3)在负载平台(2)的下方共有三个连接点，每个连接点上连接两根扰动施加绳索(3)且该两根扰动施加绳索(3)之间的夹角为100°。