CN108791969B - 一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，在上层气浮球设置载荷舱，在中层气浮球与球碗复合件设置平台舱，通过由上层气浮球与中层气浮球与球碗复合件组成的小型气浮球组件，与由中层气浮球与球碗复合件、下层球碗及封气板组成的大型气浮球组件构成的共球心堆叠耦合形式，借助小型气浮球轴承组件中上层气浮球与中层气浮球与球碗复合件的相对运动实现载荷舱与平台舱的完全共球心的六自由度共球心旋转运动，并结合固接于气浮台支撑板下方的气浮止推轴承获得气浮台的八自由度运动，具有结构简单、集成度高和可靠性高等优点，可用于大摆角机动特性和动中成像验证。

Description

一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置

技术领域

本发明属于航天器物理仿真领域，主要涉及一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置。

背景技术

随着航天对地遥感任务逐渐朝高空间分辨率、高效率和高价值发展，卫星载荷的指向精度、稳定性和敏捷机动性能成为航天任务完成的重要技术指标。传统卫星的大型太阳帆板等挠性附件以及飞轮、陀螺、驱动机构等活动部件是影响卫星载荷姿态指向精度、稳定度和敏捷机动性能的主要原因。

常规卫星设计中载荷舱与平台舱固连，其姿态跟随卫星平台进行控制，载荷舱的姿态精度主要取决于卫星平台的姿态控制精度，而卫星平台上的大型挠性附件又间接影响载荷舱的控制精度。因此采用载荷与平台固连的方式难以同时实现载荷姿态的超高稳定度、超高指向精度、超高敏捷性能。为了提高卫星载荷的指向精度和稳定性，进行有效的振动隔离和抑制。通过采用将平台与载荷进行物理分离的双体卫星形式，进而实现了平台对于载荷的振动隔离和抑制，并成为下一代卫星平台的热点技术之一。为了实现对双体卫星平台的在轨性能验证，进行模拟失重及微干扰力矩空间环境的地面仿真实验就变得尤为重要，因此，需要满足运动要求的地面物理仿真地面测试系统。专利CN201610815971.0提出了一种双五自由度气浮主从式非接触“双超”卫星地面原理验证系统，在两个气浮台上分别放置载荷舱与平台舱，通过载荷舱与平台舱之间的磁浮机构进行实现两者的物理隔离与驱动控制。但该装置仅能在偏摆自由度方向上验证机动特性，对于俯仰方向，受磁浮机构中定子与动子的间隙以及垂向运动限制，无法进行试验验证。在翻滚方向，则需要载荷舱及所在气浮台的整理大范围运动，运动惯量大，且气管线缆等问题而难以完成。专利CN201611047724.7中提出一种双五自由度气浮主从非接触内含式双超卫星地面原理验证方法，通过载荷舱与平台舱的共球心运动，完成双体卫星在三个转动自由度上的指向精度、稳定性和敏捷机动试验验证。但该装置由于采用双五自由度气浮台的内含式构型，大角度机动测试造成外部五自由度气浮台中的气浮球轴承尺寸过大，且构成窄球环带气浮支撑结构，进而导致大型气浮球轴承加工难度极大，且工作特性不佳。因此需要设计一种适应于验证双体卫星指向精度、稳定性和敏捷机动性能的新型物理仿真地面测试装置。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，在上层气浮球设置载荷舱，在中层气浮球与球碗复合件设置平台舱，通过气浮球轴承的堆叠组合设计，借助气浮球轴承的相对运动实现载荷舱与平台舱的完全共球心，进而获得载荷舱与平台舱的共球心运动。该装置具有结构简单、集成度高和可靠性高等优点，可用于大摆角机动特性和动中成像验证。

为实现上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：

一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，包括载荷舱和平台舱，载荷舱固接于载荷舱支撑框架上，平台舱固接于平台舱支撑框架上，载荷舱与平台舱通过由磁铁部分和线圈部分组成的磁浮机构完成同步运动，磁浮机构的磁铁部分固连与载荷舱，磁浮机构的线圈部分固连与平台舱，平台舱通过推力器实现Rx、Ry、Rz、X和Y向运动，还包括平台舱气瓶、载荷舱气瓶、封气板、下层气浮球碗、球碗复合件和上层气浮球，上层气浮球与中层气浮球与球碗复合件组成小型气浮球轴承组件，中层气浮球与球碗复合件、下层气浮球碗与封气板组成大型气浮球组件；大型气浮球组件与小型气浮球组件通过公用中层气浮球与球碗复合件构成共球心堆叠耦合形式，设置于气浮台支撑板上的载荷舱气瓶对大型气浮球组件和气浮止推轴承供气，设置于平台舱支撑框架上的平台舱气瓶对小型气浮球组件供气，平台舱支撑框架固连与中层气浮球与球碗复合件，并随中层气浮球与球碗复合件运动，载荷舱支撑框架固连与上层气浮球上，并随上层气浮球运动；大型气浮球组件通过支撑立柱固连与气浮台支撑板上方，通过设置在气浮台支撑板下方均匀分布的气浮止推轴承实现在平台上X和Y向非接触支撑；通过小型气浮球组件Rx、Ry和Rz三自由度转动与大型气浮球组件的Rx、Ry和Rz三自由度转动，结合气浮止推轴承的X、Y向移动，形成气浮装置的八自由度运动。

优选地，固定于上层气浮球上的载荷舱与固接于中层气浮球与球碗复合件上的平台舱，通过中层气浮球与球碗复合件的临近半球结构，分别实现±30°的Rx和Ry运动范围，以及360°的Rz运动范围。

优选地，所述的气浮止推轴承，可以采用环形平面止推小孔节流气浮轴承，多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式，且不限于以上所述的平面止推气浮轴承形式，大型气浮球组件和气浮止推轴承可以以相同的供气压力同时供气，也可以对以不同的供气压力对大型气浮球组件和气浮止推轴承分别供气。

优选地，所述的载荷舱支撑框架和平台舱支撑框架可采用圆柱与圆锥复合的加筋壳焊接结构，以可采用圆柱圆锥一体式铸造结构。

与现有的气浮物理仿真平台技术相比，本发明的创新点和显著优势在于:

1、实现了载荷舱与平台舱的共球心运动。在上层气浮球设置载荷舱，在中层气浮球与球碗复合件设置平台舱，通过气浮球轴承的堆叠组合设计，借助气浮球轴承的相对运动实现载荷舱与平台舱沿一个球面运动，进而获得载荷舱与平台舱的共球心运动；相比内含式双五自由度气浮试验系统方案，该方案大大降低了大型气浮球的尺寸，增强了大型气浮球的结构稳固特性，显著降低了装调难度和加工难度；相比对接式双五自由度气浮试验系统方案，该方案通过载荷舱与平台舱的共球心结构布局，可获得大角度三自由度转动特性，这是本发明的创新点和显著优势之一；

2、通过一体化设计具有高集成度的特点。由底层气浮球碗与中层气浮球与球碗复合件构成的大型气浮球轴承组件实现平台舱的三自由度转动，由中层气浮球与球碗复合件与上层气浮球构成的小型气浮球轴承组件实现载荷舱的三自由度转动，大型气浮球轴承组件与小型气浮球轴承组件通过中层气浮球与球碗复合件实现了一体化设计，结合气浮台底部均匀布置的气浮止推轴承，可在单气浮台上实现载荷舱与平台舱的八自由度运动，具有集成度高，便于维护等优点，这是本发明的创新点和显著优点之二。

附图说明

图1本发明的总体结构示意图。

图2本发明的实施方案二总体结构示意图。

图中件号：1—载荷舱；2—平台舱；3—磁浮机构；4—推力器；5—平台舱支撑框架；6—平台舱气瓶；7—载荷舱气瓶；8—气浮台支撑板；9—气浮止推轴承；10—支撑立柱；11—封气板；12—下层气浮球碗；13—中层气浮球与球碗复合件；14—上层气浮球；15—载荷舱支撑框架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，如图1所示，包括载荷舱1和平台舱2，载荷舱1固接于载荷舱支撑框架15上，平台舱2固接于平台舱支撑框架5上，载荷舱1与平台舱2通过由磁铁部分和线圈部分组成的磁浮机构3完成同步运动，磁浮机构3的磁铁部分固连与载荷舱1，磁浮机构3的线圈部分固连与平台舱2，平台舱2通过推力器4实现Rx、Ry、Rz、X和Y向运动，还包括平台舱气瓶6、载荷舱气瓶7、封气板11、下层气浮球碗12、球碗复合件13和上层气浮球14，上层气浮球14与中层气浮球与球碗复合件13组成小型气浮球轴承组件，中层气浮球与球碗复合件13、下层气浮球碗12与封气板11组成大型气浮球组件；大型气浮球组件与小型气浮球组件通过公用中层气浮球与球碗复合件13构成共球心堆叠耦合形式，设置于气浮台支撑板8上的载荷舱气瓶7对大型气浮球组件和气浮止推轴承9供气，设置于平台舱支撑框架5上的平台舱气瓶6对小型气浮球组件供气，平台舱支撑框架5固连与中层气浮球与球碗复合件13，并随中层气浮球与球碗复合件13运动，载荷舱支撑框架15固连与上层气浮球14上，并随上层气浮球14运动；大型气浮球组件通过支撑立柱10固连与气浮台支撑板8上方，通过设置在气浮台支撑板8下方均匀分布的气浮止推轴承9实现在平台上X和Y向非接触支撑；通过小型气浮球组件Rx、Ry和Rz三自由度转动与大型气浮球组件的Rx、Ry和Rz三自由度转动，结合气浮止推轴承9的X、Y向移动，形成气浮装置的八自由度运动。

其中，固定于上层气浮球14上的载荷舱1与固接于中层气浮球与球碗复合件13上的平台舱2，通过中层气浮球与球碗复合件13的临近半球结构，分别实现±30°的Rx和Ry运动范围，以及360°的Rz运动范围。所述的气浮止推轴承9，可以采用环形平面止推小孔节流气浮轴承，多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式，且不限于以上所述的平面止推气浮轴承形式，大型气浮球组件和气浮止推轴承9可以以相同的供气压力同时供气，也可以对以不同的供气压力对大型气浮球组件和气浮止推轴承9分别供气。所述的，载荷舱支撑框架15和平台舱支撑框架5可采用圆柱与圆锥复合的加筋壳焊接结构，以可采用圆柱圆锥一体式铸造结构。

实施例2

一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，如图2所示，包括载荷舱1和平台舱2，载荷舱1固接于载荷舱支撑框架15上，平台舱2固接于平台舱支撑框架5上，载荷舱1与平台舱2通过由磁铁部分和线圈部分组成的磁浮机构3完成同步运动，磁浮机构3的磁铁部分固连与载荷舱1，磁浮机构3的线圈部分固连与平台舱2，平台舱2通过推力器4实现Rx、Ry、Rz、X和Y向运动，还包括平台舱气瓶6、载荷舱气瓶7、封气板11、下层气浮球碗12、球碗复合件13和上层气浮球14，上层气浮球14与中层气浮球与球碗复合件13组成小型气浮球轴承组件，中层气浮球与球碗复合件13与下层气浮球碗12组成大型气浮球组件。大型气浮球组件与小型气浮球组件通过公用中层气浮球与球碗复合件13构成共球心堆叠耦合形式，设置于平台舱支撑框架5上的平台舱气瓶6通过中层气浮球与球碗复合件13对小型气浮球组件和大型气浮球组件同时供气，并实现气体悬浮，平台舱支撑框架5固连与中层气浮球与球碗复合件13，并随中层气浮球与球碗复合件13运动，载荷舱支撑框架15固连与上层气浮球14上，并随上层气浮球14运动；大型气浮球组件通过支撑立柱10固连与气浮台支撑板8上方，通过设置在气浮台支撑板8下方均匀分布的气浮止推轴承9实现在平台上X和Y向非接触支撑；通过小型气浮球组件Rx、Ry和Rz三自由度转动与大型气浮球组件的Rx、Ry和Rz三自由度转动，结合气浮止推轴承9的X、Y向移动，形成气浮装置的八自由度运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，包括载荷舱(1)和平台舱(2)，载荷舱(1)固接于载荷舱支撑框架(15)上，平台舱(2)固接于平台舱支撑框架(5)上，载荷舱(1)与平台舱(2)通过由磁铁部分和线圈部分组成的磁浮机构(3)完成同步运动，磁浮机构(3)的磁铁部分与载荷舱(1)固连，磁浮机构(3)的线圈部分与平台舱(2)固连，平台舱(2)通过推力器(4)实现Rx、Ry、Rz、X和Y向运动，其特征在于：还包括平台舱气瓶(6)、载荷舱气瓶(7)、封气板(11)、下层气浮球碗(12)、球碗复合件(13)和上层气浮球(14)，上层气浮球(14)与中层气浮球与球碗复合件(13)组成小型气浮球轴承组件，中层气浮球与球碗复合件(13)、下层气浮球碗(12)与封气板(11)组成大型气浮球组件；

大型气浮球组件与小型气浮球组件通过公用中层气浮球与球碗复合件(13)构成共球心堆叠耦合形式，设置于气浮台支撑板(8)上的载荷舱气瓶(7)对大型气浮球组件和气浮止推轴承(9)供气，设置于平台舱支撑框架(5)上的平台舱气瓶(6)对小型气浮球组件供气，平台舱支撑框架(5)与中层气浮球与球碗复合件(13)固连，并随中层气浮球与球碗复合件(13)运动，载荷舱支撑框架(15)固连与上层气浮球(14)上，并随上层气浮球(14)运动；

大型气浮球组件通过支撑立柱(10)固连与气浮台支撑板(8)上方，通过设置在气浮台支撑板(8)下方均匀分布的气浮止推轴承(9)实现在平台上X和Y向非接触支撑；

通过小型气浮球组件Rx、Ry和Rz三自由度转动与大型气浮球组件的Rx、Ry和Rz三自由度转动，结合气浮止推轴承(9)的X、Y向移动，形成气浮装置的八自由度运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，其特征在于：固定于上层气浮球(14)上的载荷舱(1)与固接于中层气浮球与球碗复合件(13)上的平台舱(2)通过中层气浮球与球碗复合件(13)的临近半球结构分别实现±30°的Rx和Ry运动范围，以及360°的Rz运动范围。

3.根据权利要求1所述的一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，其特征在于：所述的气浮止推轴承(9)采用环形平面止推小孔节流气浮轴承、多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式，且不限于以上所述的平面止推气浮轴承形式，大型气浮球组件和气浮止推轴承(9)可以以相同的供气压力同时供气，也可以对以不同的供气压力对大型气浮球组件和气浮止推轴承(9)分别供气。

4.根据权利要求1所述的一种基于双球共球心堆叠耦合的八自由度气浮装置，其特征在于：载荷舱支撑框架(15)和平台舱支撑框架(5)可采用圆柱与圆锥复合的加筋壳焊接结构，采用圆柱圆锥一体式铸造结构。

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