CN106081173B - 三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置 - Google Patents

三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置 Download PDF

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Abstract

三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，它涉及一种空间飞行器微重力模拟装置。本发明解决了现有空间飞行器微重力地面模拟方法仅限于空间飞行器二维自由运动，无法完成空间飞行器的三维空间的运动实验问题。两个Y向直线导轨水平且平行安装在机架的上部，每个Y向直线导轨上设置有一个Y向随动平台，两个Y向随动平台之间连接有X向直线导轨，X向随动平台设置在X向直线导轨上，X向随动平台上设置有力矩电机及卷筒，X向随动平台的下端面上安装有角度传感器和激光测距传感器，吊索铰点设置在X向随动平台上，吊索的上端缠绕在卷筒上，平面反光镜和拉力传感器由上至下安装在吊索上，吊索的下端设置有球轴承。本发明用于空间飞行器微重力模拟。

Description

三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置
技术领域
本发明涉及一种空间飞行器微重力模拟装置，具体涉及一种三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置。
背景技术
空间飞行器工作于宇宙空间微重力环境下，宇宙空间与地球表面重力场不同。在地面进行空间飞行器实物实验时，需要模拟太空中的微重力环境，即对空间飞行器施加补偿力，抵消地表重力的影响。具体的说，在进行完成实验研制阶段应进行空间飞行器的运动功能验证、运动学算法验证，在总装场要验证空间飞行器的功能和测试空间飞行器的运动精度。以上过程都要在地面完成，而空间飞行器是按照太空失重环境要求设计的，在地面试验中，如果不进行重力补偿，重力的作用下空间飞行器无法实现机动。因此，需要研制空间飞行器微重力模拟装置，空间飞行器微重力模拟装置的目的是要在地面上模拟空间的零重力环境。
现有广泛实用的空间飞行器微重力地面模拟方法为平面气浮法。利用气浮平台支撑空间飞行器，航天器在气浮平台上二维自由运动，通过气浮轴承摩擦力小的优点被动的实现地面微重力的模拟。气浮法平面空间限制了空间飞行器的三维空间的运动实验。
综上，现有的空间飞行器微重力地面模拟方法原理上限制了空间飞行器的三维自由运动，无法实现空间飞行器大范围，长时间且高精度的三维空间运动实验。
发明内容
本发明为解决现有的空间飞行器微重力地面模拟方法仅限于空间飞行器二维自由运动，无法完成空间飞行器的三维空间的运动实验问题，进而提供一种三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置包括机架1、X向直线导轨4、X向随动平台5、力矩电机及卷筒6、角度传感器13、激光测距传感器14、吊索铰点7、吊索8、平面反光镜9、拉力传感器10、球轴承11、两个Y向直线导轨2和两个Y向随动平台3，机架1的下端固定在地面上，两个Y向直线导轨2水平且平行安装在机架1的上部，每个Y向直线导轨2上设置有一个Y向随动平台3，两个Y向随动平台3之间连接有X向直线导轨4，X向随动平台5设置在X向直线导轨4上，X向随动平台5上设置有力矩电机及卷筒6，X向随动平台5的下端面上安装有角度传感器13和激光测距传感器14，吊索铰点7设置在X向随动平台5上，吊索8的上端缠绕在卷筒6上，平面反光镜9和拉力传感器10由上至下安装在吊索8上，吊索8的下端设置有球轴承11，球轴承11安装在空间飞行器12上。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置能够解决三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟问题，为空间飞行器在地面三维空间六自由度运动实验提供了微重力模拟装置。本发明的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置具有在实验室进行航天器的运动功能测试和运动精度测试的能力，本发明的装置为欠驱动系统，有着减轻装置重量、实现更大范围模拟空间、降低造价的优势；
本发明的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置的工作模式为航天器太空漂浮运动模拟模式，航天器太空漂浮运动模拟是指模拟航天器进入太空微重力环境后通过喷气等方式进行空间运动的功能验证实验和精度测试实验，本发明的装置在航天器太空漂浮运动模拟模式进行功能验证实验时，可实现空间飞行器各自由度的单独运动，满足航天器各自由度微重力环境的模拟要求；本发明的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置的设计采用主动随动式跟踪方式，三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置有着对航天器三维空间六自由度运动实验模拟精度高，具有无时间限制的优点。
附图说明
图1是本发明的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置整体结构示意图；
图2是具体实施方式一中X向随动平台5的主视图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～2所示，本实施方式的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置包括机架1、X向直线导轨4、X向随动平台5、力矩电机及卷筒6、角度传感器13、激光测距传感器14、吊索铰点7、吊索8、平面反光镜9、拉力传感器10、球轴承11、两个Y向直线导轨2和两个Y向随动平台3，机架1的下端固定在地面上，两个Y向直线导轨2水平且平行安装在机架1的上部，每个Y向直线导轨2上设置有一个Y向随动平台3，两个Y向随动平台3之间连接有X向直线导轨4，X向随动平台5设置在X向直线导轨4上，X向随动平台5上设置有力矩电机及卷筒6，X向随动平台5的下端面上安装有角度传感器13和激光测距传感器14，吊索铰点7设置在X向随动平台5上，吊索8的上端缠绕在卷筒6上，平面反光镜9和拉力传感器10由上至下安装在吊索8上，吊索8的下端设置有球轴承11，球轴承11安装在空间飞行器12上。
图1中所示的是力矩电机及卷筒等效的弹簧15为等效的恒力弹簧，该恒力弹簧的弹性系数为零，预拉力为悬吊航天器的重力；图2为力矩电机及卷筒6机械实现方式，结合力矩的主动控制实现。
吊索8的上端通过力矩电机及其卷筒6连接，使空间飞行器12质心受到期望大小补偿力，X向随动平台5、Y向随动平台3受主动运动控制，使吊索8始终保持垂直状态，实现空间飞行器零重力模拟。
具体实施方式二：如图1和图2所示，本实施方式角度传感器13为PSD角度传感器。如此设计，与安装在吊索8垂直方向的平面反光镜9形成吊索8的空间铅垂角度测量光回路，实现吊索空间铅垂角度的非接触式高精度测量。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1和图2所示，本实施方式X向随动平台5为电机驱动的随动平台。如此设计，提供对悬吊航天器X向运动的主动跟踪。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图1和图2所示，本实施方式Y向随动平台3为电机驱动的随动平台。如此设计，提供对悬吊航天器Y向运动的主动跟踪。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：如图1和图2所示，本实施方式平面反光镜9与吊索8的方向垂直设置。如此设计，与PSD形成吊索8的空间铅垂角度测量光回路，实现吊索空间铅垂角度的非接触式高精度测量。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：如图1和图2所示，本实施方式拉力传感器10与吊索8的方向一致设置。如此设计，可以实时测量吊索8张力。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：如图1和图2所示，本实施方式拉力球轴承11与吊索8的方向一致设置。如此设计，提供对悬吊航天器三轴转动运动自由度。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：如图1和图2所示，本实施方式拉力球轴承11安装在空间飞行器12的质心上。如此设计，保证对悬吊航天器三轴转动运动的支撑，实现模拟太空中航天器的三轴转动运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四、六或七相同。
工作原理：
通过角度传感器13测量垂直于吊索的平面反光镜9空间角度值反馈，主动控制X向随动平台5位置、Y向随动平台3位置保证吊索的铅锤、通过拉力传感器10主动控制力矩电机及其卷筒6保证吊索8张力抵消空间飞行器的重力；通过球轴承11提供空间飞行器三维转动的自由度；在空间飞行器三维空间六自由度运动实验时，三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置主动的跟随空间飞行器运动，装置主动控制吊索8对空间飞行器施加的补偿力，使空间飞行器在地面实验时受到的重力对运动的影响于在真实空间中相同，实现空间飞行器在地面微重力模拟运动实验。

Claims (8)

1.一种三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：所述三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置包括机架(1)、X向直线导轨(4)、X向随动平台(5)、力矩电机及卷筒(6)、角度传感器(13)、激光测距传感器(14)、吊索铰点(7)、吊索(8)、平面反光镜(9)、拉力传感器(10)、球轴承(11)、两个Y向直线导轨(2)和两个Y向随动平台(3)，机架(1)的下端固定在地面上，两个Y向直线导轨(2)水平且平行安装在机架(1)的上部，每个Y向直线导轨(2)上设置有一个Y向随动平台(3)，两个Y向随动平台(3)之间连接有X向直线导轨(4)，X向随动平台(5)设置在X向直线导轨(4)上，X向随动平台(5)上设置有力矩电机及卷筒(6)，X向随动平台(5)的下端面上安装有角度传感器(13)和激光测距传感器(14)，吊索铰点(7)设置在X向随动平台(5)上，吊索(8)的上端缠绕在卷筒(6)上，平面反光镜(9)和拉力传感器(10)由上至下安装在吊索(8)上，吊索(8)的下端设置有球轴承(11)，球轴承(11)安装在空间飞行器(12)上。
2.根据权利要求1所述的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：角度传感器(13)为PSD角度传感器。
3.根据权利要求1或2所述的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：X向随动平台(5)为电机驱动的随动平台。
4.根据权利要求3所述的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：Y向随动平台(3)为电机驱动的随动平台。
5.根据权利要求1、2或4所述的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：平面反光镜(9)与吊索(8)的方向垂直设置。
6.根据权利要求5所述的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：拉力传感器(10)与吊索(8)的方向一致设置。
7.根据权利要求5所述的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：球轴承(11)与吊索(8)的方向一致设置。
8.根据权利要求1、2、4、6或7所述的三维主动悬吊式空间飞行器微重力模拟装置，其特征在于：球轴承(11)安装在空间飞行器(12)的质心上。
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