CN109599005A - 基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，属于航天器物理仿真领域，通过气浮球轴承实现转动平台的Rx、Ry和Rz自由度运动，通过平面气浮轴承实现载荷舱气浮平台和平台舱气浮平台的X和Y自由度运动，通过设置在支撑立柱上的磁悬浮支撑浮动磁钢和设置在水平移动平台上的磁悬浮固定磁钢，实现支撑立柱与水平移动平台的非接触重力补偿支撑，通过由洛伦兹电机磁钢和洛伦兹电机线圈组成的洛伦兹电机实现支撑立柱与水平移动平台的非接触力控制和Z自由度运动，进而获得转动平台的六自由度运动，具有六自由度非接触支撑、稳定性高和响应快等优点，可用于双超卫星平台的姿态模拟、大摆角机动特性和动中成像地面验证。

Description

基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器

技术领域

本发明涉及航天器物理仿真领域，具体地，涉及一种基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器。

背景技术

伴随着科技的迅速发展，航天对地观测遥感任务逐渐朝高空间分辨率和高效率方向发展，而观测遥感的高空间分辨率和高效率主要取决于卫星载荷的指向精度、稳定性和敏捷机动性能。在传统的卫星平台中，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。

传统卫星设计中，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、超高指向精度和超高敏捷性能。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，进而实现了载荷的高运动精度和高运动速度，已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，需要提供满足运动要求的地面物理仿真地面测试系统。专利文献CN103514792A提及一种空间六自由度气浮随动运动平台。该平台通过气浮技术实现两自由度平动和三个自由度转动，并采用液体平衡方法实现垂向随动，进而获得空间微重力环境下航天器姿态的运动模拟。但是该专利采用的液压驱动结构形式，由于液压油的高粘度而导致较大的粘滞阻尼干扰，同时采用单向液压缸推进与气浮运动平台的重力相平衡的开式控制方式，严重削弱了平台系统的响应频率及稳定性；专利文献CN104875907A提及一种狭窄空间重型设备运送安装六自由度气浮车，通过平面气足、前后移动自由度装置、竖直移动自由度装置和左右摆动自由度装置的组合，实现重型设备的六自由度运送安装，但是该气浮车中的垂直移动、前后翻转、左右摆动机构均采用直接接触式运动导轨，进而带来较大的摩擦力，无法满足航天器的微干扰力矩环境的地面模拟要求；专利文献CN105321398A中的一种六自由度气浮式运动模拟器，借助一个球面气浮轴承、三个平面气浮轴承和一个升降柱组件实现平台的六自由度运动，但是该专利中的升降柱组件通过钢丝绳与滑轮组的形式连接外支撑柱和平衡块，会带来较大的摩擦力干扰，且由于钢丝的弹性形变导致垂向运动控制精度低、稳定时间长。因此需要设计一种响应速度快，干扰力矩小，且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六自由度物理仿真地面测试装置。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器属于航天器物理仿真领域，通过气浮球轴承实现转动平台的Rx、Ry和Rz自由度运动，通过平面气浮轴承实现载荷舱气浮平台和平台舱气浮平台的X和Y自由度运动，通过设置在支撑立柱上的磁悬浮支撑浮动磁钢和设置在水平移动平台上的磁悬浮固定磁钢，实现支撑立柱与水平移动平台的非接触重力补偿支撑，通过由洛伦兹电机磁钢和洛伦兹电机线圈组成的洛伦兹电机实现支撑立柱与水平移动平台的非接触力控制和Z自由度运动，进而获得转动平台的六自由度运动，具有六自由度非接触支撑、稳定性高和响应快等优点，可用于双超卫星平台的姿态模拟、大摆角机动特性和动中成像地面验证。

根据本发明提供的一种基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，包括平台舱气浮平台、载荷舱气浮平台；平台舱气浮平台和载荷舱气浮平台通过磁浮机构连接，磁浮机构在平台舱气浮平台和载荷舱气浮平台之间进行力传递；平台舱气浮平台包括转动平台、推力器、上层气瓶、气浮球轴承、支撑立柱、磁悬浮支撑浮动机构、水平移动平台、洛伦兹电机、平面气浮轴承；上层气瓶与转动平台紧固连接，推力器设置在转动平台的上表面位置，由上层气瓶提供的供气压力驱使；支撑立柱的竖直上部连接气浮球轴承；支撑立柱的竖直下部通过洛伦兹电机与水平移动平台连接，洛伦兹电机对支撑立柱和水平移动平台进行驱动；支撑立柱的中部通过磁悬浮支撑浮动机构与水平移动平台相配合支撑，所述磁悬浮支撑浮动机构对支撑立柱进行重力补偿支撑；水平移动平台下方设置有平面气浮轴承，平面气浮轴承驱动水平移动平台运动。

所述磁浮机构主要包括磁浮机构线圈、磁浮机构磁钢；所述平台舱气浮平台包括磁浮机构线圈支撑板；所述载荷舱气浮平台包括磁浮机构磁钢支撑板；磁浮机构线圈通过磁浮机构线圈支撑板与转动平台连接；磁浮机构磁钢与磁浮机构磁钢支撑板紧固连接；平面气浮轴承驱动水平移动平台X向、Y向运动；

所述气浮球轴承主要包括气浮球、气浮球窝；气浮球与转动平台紧固连接；气浮球窝设置有形状与气浮球相匹配的凹槽，所述凹槽能容纳气浮球；气浮球窝的竖直下部与支撑立柱紧固连接。

所述磁悬浮支撑浮动机构主要包括磁悬浮支撑浮动磁钢、磁悬浮固定磁钢；磁悬浮支撑浮动磁钢与磁悬浮固定磁钢相对设置；磁悬浮支撑浮动磁钢设置在支撑立柱中部的侧面位置；磁悬浮固定磁钢设置在水平移动平台上。

所述磁悬浮支撑浮动磁钢沿支撑立柱水平径向充磁；所述磁悬浮固定磁钢沿磁悬浮固定磁钢竖直轴向充磁；磁悬浮支撑浮动磁钢的垂向高度保持小于磁悬浮支撑固定磁钢的垂向高度。

所述洛伦兹电机主要包括洛伦兹电机磁钢、洛伦兹电机线圈、洛伦兹电机安装座；洛伦兹电机线圈与洛伦兹电机磁钢相对设置；洛伦兹电机线圈通过洛伦兹电机安装座与水平移动平台紧固连接；洛伦兹电机磁钢与支撑立柱紧固连接。

所述平面气浮轴承的数量为三个或者多个。

所述平面气浮轴承采用以下任一种轴承形式：环形平面止推小孔节流气浮轴承、多孔质气浮轴承，或者平面止推气浮轴承。

所述洛伦兹电机采用圆筒构型或者平板构型。

所述水平移动平台上设置有导向气浮套、下层气瓶；导向气浮套设置在洛伦兹电机安装座的下部；下层气瓶提供高压气体，通过导向气浮套垂向导向支撑立柱。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、实现六自由度非接触支撑，摩擦力小，理论无限长使用寿命。转动平台通过气浮球和气浮球窝组成的气浮球轴承，可实现Rx、Ry和Rz向非接触转动自由度运动，借助固连于水平移动平台的平面气浮轴承可实现X和Y向非接触移动自由度运动，通过设置在支撑立柱上的磁悬浮支撑浮动磁钢和设置在水平移动平台上的磁悬浮固定磁钢，实现支撑立柱与水平移动平台的非接触磁悬浮重力补偿支撑，通过由洛伦兹电机磁钢和洛伦兹电机线圈组成的洛伦兹电机实现支撑立柱与水平移动平台的Z向非接触移动自由度运动；

2、垂向运动稳定性高、响应速度快。通过设置在支撑立柱上的磁悬浮支撑浮动磁钢和设置在水平移动平台上的磁悬浮固定磁钢，实现支撑立柱与水平移动平台的非接触磁悬浮重力补偿支撑，通过由洛伦兹电机磁钢和洛伦兹电机线圈组成的洛伦兹电机实现支撑立柱与水平移动平台的非接触力控制和Z自由度运动；由洛伦兹电机提供的非接触输出力，作用于磁悬浮重力补偿支撑，克服磁悬浮重力补偿支撑的低刚度以及稳定时间长问题；

3、实现竖直方向上非接触导向。下层气瓶提供的高压气体，固连于水平移动平台上的导向气浮套和支撑立柱实现垂向非接触导向，通过将垂向支撑驱动的主被动磁悬浮支撑驱动与气悬浮导向进行一体化设计，获得竖直方向上非接触驱动、支撑和导向工作特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的平台舱结构示意图；

图3为本发明的垂向悬浮支撑驱动示意图。

图中示出：

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，包含平台舱气浮平台1和载荷舱气浮平台2，平台舱气浮平台1和载荷舱气浮平台2的内部具有相似结构。平台舱气浮平台1和载荷舱气浮平台2通过磁浮机构连接，磁浮机构在平台舱气浮平台1和载荷舱气浮平台2之间进行力传递。优选地，所述磁浮机构主要包括磁浮机构线圈3、磁浮机构磁钢4；所述平台舱气浮平台1包括磁浮机构线圈支撑板5；所述载荷舱气浮平台2包括磁浮机构磁钢支撑板6；磁浮机构线圈3通过磁浮机构线圈支撑板5与转动平台7连接；磁浮机构磁钢4与磁浮机构磁钢支撑板6紧固连接。通过设置在平台舱气浮平台1上的磁浮机构线圈3和设置在载荷舱气浮平台2上的磁浮机构磁钢4组成的磁浮机构，实现双超卫星载荷舱与平台舱的力传递，磁浮机构线圈3通过固连于磁浮机构线圈支撑板5的形式，安装于平台舱气浮平台1，磁浮机构磁钢4通过固连于磁浮机构磁钢支撑板6的形式，安装于载荷舱气浮平台2。

通过气浮球轴承实现转动平台的Rx、Ry和Rz非接触转动自由度运动，通过平面气浮轴承实现载荷舱气浮平台2和平台舱气浮平台1的X和Y非接触移动自由度运动，通过设置在支撑立柱20上的磁悬浮支撑浮动磁钢11和设置在水平移动平台14上的磁悬浮固定磁钢12，实现支撑立柱20与水平移动平台14的非接触磁悬浮重力补偿支撑，通过由洛伦兹电机磁钢18和洛伦兹电机线圈19组成的洛伦兹电机实现支撑立柱与水平移动平台的非接触力控制和Z向非接触移动自由度运动，进而获得转动平台的六自由度运动，具有六自由度非接触支撑、稳定性高和响应快等优点，可用于双超卫星平台的姿态模拟、大摆角机动特性和动中成像地面验证。由洛伦兹电机提供的非接触输出力，作用于磁悬浮重力补偿支撑，可克服磁悬浮重力补偿支撑的低刚度以及稳定时间长问题，响应速度快、稳定性好。

如图2所示，平台舱气浮平台1包括转动平台7、推力器21、上层气瓶10、气浮球轴承、支撑立柱20、磁悬浮支撑浮动机构、水平移动平台14、洛伦兹电机、平面气浮轴承15、下层气瓶13；上层气瓶10与转动平台7紧固连接，推力器21设置在转动平台7的上表面位置，由上层气瓶10提供的供气压力驱使；支撑立柱20的竖直上部连接气浮球轴承；支撑立柱20的竖直下部通过洛伦兹电机与水平移动平台14连接，洛伦兹电机对支撑立柱20和水平移动平台14进行驱动；支撑立柱20的中部通过磁悬浮支撑浮动机构与水平移动平台14相配合支撑，所述磁悬浮支撑浮动机构对支撑立柱20进行重力补偿支撑；水平移动平台14下部设置有平面气浮轴承15，平面气浮轴承15驱动水平移动平台14在X向、Y向运动。优选地，水平移动平台14的中部沿竖直方向有两部分隆起部分，形成开口向上的空腔，支撑立柱20位于所述空腔的中央位置，所述磁悬浮支撑浮动机构的支撑浮动部分磁悬浮支撑浮动磁钢11设置在支撑立柱20的中部，磁悬浮支撑浮动机构的固定部分磁悬浮固定磁钢12设置在所述空腔的内壁上。

优选地，所述气浮球轴承主要包括气浮球8、气浮球窝9；气浮球8与转动平台7紧固连接；气浮球窝9设置有形状与气浮球8向匹配的凹槽，所述凹槽能容纳气浮球8；转动平台7通过由气浮球8和气浮球窝9组成气浮球轴承实现转动平台7的Rx、Ry和Rz运动；气浮球窝9的竖直下部与支撑立柱20紧固连接。

优选地，所述磁悬浮支撑浮动机构主要包括磁悬浮支撑浮动磁钢11、磁悬浮固定磁钢12；磁悬浮支撑浮动磁钢11与磁悬浮固定磁钢12相对设置；磁悬浮支撑浮动磁钢11设置在支撑立柱20中部的侧面位置；磁悬浮固定磁钢12设置在水平移动平台14上。安装于转动平台7上的上层气瓶10对推力器21提供供气压力，气浮球轴承设置在支撑立柱20的上部，支撑立柱20通过设置在支撑立柱20上的磁悬浮支撑浮动磁钢11和设置在水平移动平台14上的磁悬浮固定磁钢12，实现支撑立柱20的非接触重力补偿支撑。

优选地，如图3所示，所述磁悬浮支撑浮动磁钢11沿支撑立柱20水平径向充磁；所述磁悬浮固定磁钢12沿磁悬浮固定磁钢12竖直轴向充磁；磁悬浮支撑浮动磁钢11的垂向高度保持小于磁悬浮支撑固定磁钢20的垂向高度。固定于支撑立柱20上的磁悬浮支撑浮动磁钢11径向充磁，固定于水平移动平台14上的磁悬浮支撑固定磁钢12轴向充磁，且磁悬浮支撑浮动磁钢11的垂向高度小于磁悬浮支撑固定磁钢12的垂向高度，并在支撑立柱20的垂向运动范围内保持该构型。

优选地，所述洛伦兹电机主要包括洛伦兹电机磁钢18、洛伦兹电机线圈19、洛伦兹电机安装座17；洛伦兹电机线圈19与洛伦兹电机磁钢18相对设置；洛伦兹电机线圈19通过洛伦兹电机安装座17与水平移动平台14紧固连接；洛伦兹电机磁钢18与支撑立柱20紧固连接。通过由洛伦兹电机磁钢18和洛伦兹电机线圈19组成的洛伦兹电机实现支撑立柱20与水平移动平台14的非接触力控制和Z向驱动。洛伦兹电机磁钢18设置在支撑立柱20上，洛伦兹电机线圈19通过洛伦兹电机安装座17固连于水平移动平台14，固连于水平移动平台14上的导向气浮套16和支撑立柱20之间通过下层气瓶13提供的高压气体，实现支撑立柱20的垂向非接触导向。下层气瓶13提供的高压气体，固连于水平移动平台14上的导向气浮套16和支撑立柱20实现垂向非接触导向，通过将垂向支撑驱动的主被动磁悬浮支撑驱动与气悬浮导向进行一体化设计，可获得竖直方向上非接触驱动、支撑和导向工作特点。优选地，所述洛伦兹电机，可以采用圆筒构型，也可以采用平板构型。

优选地，所述平面气浮轴承15有多个。通过设置在水平移动平台14上的多个平面气浮轴承15实现水平移动平台14的X向和Y向运动。所述的平面气浮轴承15，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，由气浮球8和气浮球窝9组成的气浮球轴承和平面气浮轴承15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气浮球轴承和平面气浮轴承15分别供气。

优选地，所述水平移动平台14上设置有导向气浮套16、下层气瓶13；导向气浮套16设置在洛伦兹电机安装座17的下部；下层气瓶13提供高压气体，通过导向气浮套16垂向导向支撑立柱20。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，包括平台舱气浮平台(1)、载荷舱气浮平台(2)；

平台舱气浮平台(1)和载荷舱气浮平台(2)通过磁浮机构连接，磁浮机构在平台舱气浮平台(1)和载荷舱气浮平台(2)之间进行力传递；

平台舱气浮平台(1)包括转动平台(7)、推力器(21)、上层气瓶(10)、气浮球轴承、支撑立柱(20)、磁悬浮支撑浮动机构、水平移动平台(14)、洛伦兹电机、平面气浮轴承(15)；

上层气瓶(10)与转动平台(7)紧固连接，推力器(21)设置在转动平台(7)的上表面位置，由上层气瓶(10)提供的供气压力驱使；

支撑立柱(20)的竖直上部连接气浮球轴承；

支撑立柱(20)的竖直下部通过洛伦兹电机与水平移动平台(14)连接，洛伦兹电机对支撑立柱(20)和水平移动平台(14)进行驱动；

支撑立柱(20)的中部通过磁悬浮支撑浮动机构与水平移动平台(14)相配合支撑，所述磁悬浮支撑浮动机构对支撑立柱(20)进行重力补偿支撑；

水平移动平台(14)下方设置有平面气浮轴承(15)，平面气浮轴承(15)驱动水平移动平台(14)运动。

2.根据权利要求1所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述磁浮机构主要包括磁浮机构线圈(3)、磁浮机构磁钢(4)；

所述平台舱气浮平台(1)包括磁浮机构线圈支撑板(5)；

所述载荷舱气浮平台(2)包括磁浮机构磁钢支撑板(6)；

磁浮机构线圈(3)通过磁浮机构线圈支撑板(5)与转动平台(7)连接；

磁浮机构磁钢(4)与磁浮机构磁钢支撑板(6)紧固连接；

平面气浮轴承(15)驱动水平移动平台(14)X向、Y向运动。

3.根据权利要求1所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述气浮球轴承主要包括气浮球(8)、气浮球窝(9)；

气浮球(8)与转动平台(7)紧固连接；

气浮球窝(9)设置有形状与气浮球(8)相匹配的凹槽，所述凹槽能容纳气浮球(8)；

气浮球窝(9)的竖直下部与支撑立柱(20)紧固连接。

4.根据权利要求1所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述磁悬浮支撑浮动机构主要包括磁悬浮支撑浮动磁钢(11)、磁悬浮固定磁钢(12)；

磁悬浮支撑浮动磁钢(11)与磁悬浮固定磁钢(12)相对设置；

磁悬浮支撑浮动磁钢(11)设置在支撑立柱(20)中部的侧面位置；

磁悬浮固定磁钢(12)设置在水平移动平台(14)上。

5.根据权利要求4所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述磁悬浮支撑浮动磁钢(11)沿支撑立柱(20)水平径向充磁；所述磁悬浮固定磁钢(12)沿磁悬浮固定磁钢(12)竖直轴向充磁；

磁悬浮支撑浮动磁钢(11)的垂向高度保持小于磁悬浮支撑固定磁钢(20)的垂向高度。

6.根据权利要求1所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述洛伦兹电机主要包括洛伦兹电机磁钢(18)、洛伦兹电机线圈(19)、洛伦兹电机安装座(17)；

洛伦兹电机线圈(19)与洛伦兹电机磁钢(18)相对设置；

洛伦兹电机线圈(19)通过洛伦兹电机安装座(17)与水平移动平台(14)紧固连接；

洛伦兹电机磁钢(18)与支撑立柱(20)紧固连接。

7.根据权利要求1所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述平面气浮轴承(15)的数量为三个或者多个。

8.根据权利要求1所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述平面气浮轴承(15)采用以下任一种轴承形式：

-环形平面止推小孔节流气浮轴承；

-多孔质气浮轴承；或者

-平面止推气浮轴承。

9.根据权利要求1所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述洛伦兹电机采用圆筒构型或者平板构型。

10.根据权利要求6所述的基于气磁复合控制的双超卫星平台姿态地面仿真模拟器，其特征在于，所述水平移动平台(14)上设置有导向气浮套(16)、下层气瓶(13)；导向气浮套(16)设置在洛伦兹电机安装座(17)的下部；

下层气瓶(13)提供高压气体，通过导向气浮套(16)垂向导向支撑立柱(20)。