CN109774969B - 基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，平台舱和载荷舱通过磁浮机构连接，平台舱气浮球轴承组件与载荷舱气浮球轴承组件共球心设置，实现平台舱与载荷舱的Rx、Ry和Rz自由度共球心运动，平台舱平面止推气浮轴承和载荷舱平面止推气浮轴承，实现平台舱和载荷舱的X和Y自由度运动，在平台舱上通过设置在平台舱支撑杆上电动缸的主动控制，实现平台舱气浮球窝主动跟随平台舱气浮球的转动运动，本发明摆动角度大、承载能力高，同时显著增加平台舱气浮球轴承组件的垂向承载能力，降低了平台舱气浮球轴承组件的气浮球径尺寸，显著降低了装调难度和加工难度。
Description
技术领域
本发明涉及航天器物理仿真领域，具体地，涉及一种基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统。
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。
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，进而实现了载荷的高运动精度和运动速度，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。专利文献CN106467175A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。专利文献CN106516182A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，无法获得摆动角度大于20度的大角度机动测试，且该装置会造成外部五自由度气浮台中的气浮球轴承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，且气浮工作特性差。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
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统。
根据本发明提供的一种基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，包括平台舱、载荷舱；载荷舱与平台舱通过磁浮机构连接；
磁浮机构的一端连接载荷舱支撑板，磁浮机构的另一端连接平台舱支撑板；
平台舱支撑板上方设置有力矩陀螺，驱动平台舱支撑板运动；
平台舱支撑板下方连接平台舱气浮球组件；
载荷舱支撑板下方连接载荷舱气浮球组件；
磁浮机构带动平台舱气浮球组件与载荷舱气浮球组件做共球心运动；
平台舱气浮球组件的下方设置平台舱可伸缩支撑组件，所述平台舱可伸缩支撑组件与平台舱气浮球组件连接。
优选地，所述平台舱气浮球组件的下方通过平台舱可伸缩支撑组件连接平台舱平动支撑板；
平台舱平动支撑板竖直下方设置有平台舱平面止推气浮轴承；
平台舱平动支撑板竖直上方设置有平台舱气瓶；
平台舱可伸缩支撑组件主要包括平台舱支撑杆、电动缸；
平台舱支撑杆的一端连接平台舱气浮球组件，另一端连接平台舱平动支撑板；
电动缸沿平台舱支撑杆轴向方向设置在平台舱支撑杆上；
通过对平台舱支撑杆上电动缸的主动控制，获得平台舱气浮球主动跟随载荷舱气浮球运动。
优选地，所述载荷舱气浮球组件的下方连接有载荷舱平动支撑板；
载荷舱平动支撑板的竖直下方设置有载荷舱平面止推气浮轴承；
载荷舱平动支撑板的竖直上方设置有载荷舱气瓶。
优选地，所述磁浮机构主要包括磁浮机构磁钢、磁浮机构线圈；
磁浮机构磁钢连接载荷舱支撑板，磁浮机构线圈连接平台舱支撑板。
优选地，所述平台舱气浮球组件主要包括平台舱气浮球、平台舱气浮球窝和平台舱封气板；
平台舱气浮球的竖直上方连接平台舱支撑板；
平台舱气浮球的竖直下方连接平台舱气浮球窝；
平台舱气浮球窝的竖直下方连接平台舱封气板。
优选地，所述载荷舱气浮球组件主要包括载荷舱气浮球、载荷舱气浮球窝和载荷舱封气板；
载荷舱气浮球的竖直上方连接载荷舱支撑板；
载荷舱气浮球的竖直下方连接载荷舱气浮球窝；
载荷舱气浮球窝的竖直下方连接载荷舱封气板；
优选地，所述载荷舱气浮球组件通过载荷舱支撑杆与载荷舱平动支撑板连接；
优选地，所述载荷舱支撑板上设置有测角装置。
优选地，所述载荷舱支撑板或者平台舱支撑板，采用以下任一种结构：
-圆柱与圆锥复合的加筋壳焊接结构；
-圆柱圆锥一体式铸造结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、获得大角度三自由度转动。平台舱支撑板通过平台舱气浮球轴承组件实现Rx、Ry和Rz自由度运动，载荷舱支撑板通过载荷舱气浮球轴承组件实现Rx、Ry和Rz自由度运动，平台舱气浮球轴承组件与载荷舱气浮球轴承组件共球心设置，实现平台舱与载荷舱的Rx、Ry和Rz自由度的共球心运动。
2、具有大摆角高承载的工作特点。通过设置在平台舱支撑杆上电动缸的主动控制，实现平台舱气浮球窝主动跟随载荷舱气浮球运动，可在Rx和Rz转角增大的同时显著增加平台舱气浮球轴承组件的垂向承载能力，同时降低了平台舱气浮球轴承组件的气浮球径尺寸，显著降低了装调难度和加工难度。
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为常规内含式试验系统总体结构示意图；
图3为常规内含式试验系统最大摆角示意图；
图4为本发明的物理仿真系统最大摆角示意图。
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，本发明提供一种基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，该系统包含平台舱和载荷舱，载荷舱与平台舱通过由磁浮机构磁钢20和磁浮机构线圈21组成的磁浮机构，实现载荷舱与平台舱同步运动，磁浮机构磁钢20固连于载荷舱支撑板3，磁浮机构线圈21固连于平台舱支撑板6，平台舱支撑板6通过力矩陀螺1获得Rx、Ry、Rz、X和Y向驱动力，平台舱支撑板6设置在平台舱气浮球7上，并通过由平台舱气浮球7、平台舱气浮球窝8和平台舱封气板9组成的平台舱气浮球组件，实现平台舱支撑板6的Rx、Ry和Rx自由度运动，平台舱气浮球轴承组件与载荷舱气浮球轴承组件共球心设置，实现平台舱与载荷舱的Rx、Ry和Rz自由度共球心运动。平台舱气浮球组件的下方设置平台舱可伸缩支撑组件，所述平台舱可伸缩支撑组件与平台舱气浮球组件连接。平台舱可伸缩支撑组件主要包括平台舱支撑杆18、电动缸13；平台舱支撑杆18的一端连接平台舱气浮球组件，另一端连接平台舱平动支撑板12；
电动缸13沿平台舱支撑杆18轴向方向设置在平台舱支撑杆18上；
通过对平台舱支撑杆18上电动缸13的主动控制，获得平台舱气浮球7主动跟随载荷舱气浮球4运动。
优选地，平台舱气浮球组件通过平台舱支撑杆18固连于平台舱平动支撑板12上，并通过设置在平台舱平动支撑板12竖直下方的平台舱平面止推气浮轴承11，实现平台舱支撑板6的X和Y自由度运动，实现平台舱和载荷舱的X和Y自由度运动。
优选地，在每个平台舱支撑杆18上设置在沿平台舱支撑杆18轴向方向可伸长缩短的电动缸13，通过电动缸13的组合运动进行主动控制，可获得设置在平台舱平动支撑板12竖直上方的平台舱气浮球窝8的Z、Ry和Rx运动，实现平台舱气浮球窝主动跟随平台舱气浮球的转动运动，具有摆动角度大、承载能力高等优点，可用于卫星平台的大摆角机动特性和动中成像验证等领域。
优选地，平台舱平面止推气浮轴承11和平台舱气浮球组件通过设置在平台舱平动支撑板12上的平台舱气瓶10对其提供高压稳定压缩气体。
如图1所示，载荷舱支撑板3设置在载荷舱气浮球4上，并通过由载荷舱气浮球4、载荷舱气浮球窝5和载荷舱封气板19组成的载荷舱气浮球组件，实现载荷舱支撑板3的Rx、Ry和Rx自由度运动，载荷舱气浮球组件通过载荷舱支撑杆17固连于载荷舱平动支撑板15上，并通过设置在载荷舱平动支撑板15竖直下方的载荷舱平面止推气浮轴承14实现载荷舱支撑板15的X和Y自由度运动，载荷舱平面止推气浮轴承14和载荷舱气浮球组件通过设置在载荷舱平动支撑板15上的载荷舱气瓶16对其提供高压稳定压缩气体。
优选地，平台舱支撑板6在平台舱气浮球7与平台舱气浮球窝的气膜非接触支撑下，通过力矩陀螺1提供Rx和Ry运动时，平台舱气浮球窝8通过设置在平台舱支撑杆18上的电动缸13的组合运动，实现平台舱气浮球窝8对平台舱气浮球7主动跟随。
优选地，所述的平台舱平面止推气浮轴承11和平台舱平面止推气浮轴承14，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，平台舱气浮球轴承组件和平台舱平面止推气浮轴承11与载荷舱气浮球轴承组件和载荷舱平面止推气浮轴承14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分别供气。
优选地，平台舱支撑板6和载荷舱支撑板3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。
图2和图3为非本发明的、常规的内含式双五自由度气浮试验系统，结合图看到，该系统的平台舱气浮球组件的下方不包含由平台舱支撑杆18、电动缸13可伸缩支撑组件。因此，该试验系统的最大摆角范围为±15°。而图4中，通过本发明的物理仿真系统构型，通过由平台舱支撑杆18、电动缸13可伸缩支撑组件的主动控制，实现平台舱气浮球7主动跟随载荷舱气浮球4运动，因此该试验系统的最大摆角范围可扩大为±30°。本发明提出的气浮球窝主动跟随气浮球运动方式，可在Rx和Rz转角增大的同时显著增加平台舱气浮球轴承组件的垂向承载能力，降低了平台舱气浮球轴承组件的气浮球径尺寸，显著降低了装调难度和加工难度。
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 (8)
1.一种基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，包括平台舱、载荷舱；载荷舱与平台舱通过磁浮机构连接；
磁浮机构的一端连接载荷舱支撑板(3)，磁浮机构的另一端连接平台舱支撑板(6)；
平台舱支撑板(6)上方设置有力矩陀螺(1)，驱动平台舱支撑板(6)运动；
平台舱支撑板(6)下方连接平台舱气浮球组件；
载荷舱支撑板(3)下方连接载荷舱气浮球组件；
磁浮机构带动平台舱气浮球组件与载荷舱气浮球组件做共球心运动；
平台舱气浮球组件的下方设置平台舱可伸缩支撑组件，所述平台舱可伸缩支撑组件与平台舱气浮球组件连接；所述平台舱气浮球组件的下方通过平台舱可伸缩支撑组件连接平台舱平动支撑板(12)；
平台舱平动支撑板(12)竖直下方设置有平台舱平面止推气浮轴承(11)；
平台舱平动支撑板(12)竖直上方设置有平台舱气瓶(10)；
平台舱可伸缩支撑组件主要包括平台舱支撑杆(18)、电动缸(13)；
平台舱支撑杆(18)的一端连接平台舱气浮球组件，另一端连接平台舱平动支撑板(12)；
电动缸(13)沿平台舱支撑杆(18)轴向方向设置在平台舱支撑杆(18)上；
通过对平台舱支撑杆(18)上电动缸(13)的主动控制，获得平台舱气浮球(7)主动跟随载荷舱气浮球(4)运动；
实现最大摆角范围扩大为±30°，在Rx和Rz转角增大的同时增加平台舱气浮球轴承组件的垂向承载能力，降低平台舱气浮球轴承组件的气浮球径尺寸。
2.根据权利要求1所述的基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，所述载荷舱气浮球组件的下方连接有载荷舱平动支撑板(15)；
载荷舱平动支撑板(15)的竖直下方设置有载荷舱平面止推气浮轴承(14)；
载荷舱平动支撑板(15)的竖直上方设置有载荷舱气瓶(16)。
3.根据权利要求1所述的基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，所述磁浮机构主要包括磁浮机构磁钢(20)、磁浮机构线圈(21)；
磁浮机构磁钢(20)连接载荷舱支撑板(3)，磁浮机构线圈(21)连接平台舱支撑板(6)。
4.根据权利要求1所述的基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，所述平台舱气浮球组件主要包括平台舱气浮球(7)、平台舱气浮球窝(8)和平台舱封气板(9)；
平台舱气浮球(7)的竖直上方连接平台舱支撑板(6)；
平台舱气浮球(7)的竖直下方连接平台舱气浮球窝(8)；
平台舱气浮球窝(8)的竖直下方连接平台舱封气板(9)。
5.根据权利要求1所述的基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，所述载荷舱气浮球组件主要包括载荷舱气浮球(4)、载荷舱气浮球窝(5)和载荷舱封气板(19)；
载荷舱气浮球(4)的竖直上方连接载荷舱支撑板(3)；
载荷舱气浮球(4)的竖直下方连接载荷舱气浮球窝(5)；
载荷舱气浮球窝(5)的竖直下方连接载荷舱封气板(19)。
6.根据权利要求2所述的基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，所述载荷舱气浮球组件通过载荷舱支撑杆(17)与载荷舱平动支撑板(15)连接。
7.根据权利要求1所述的基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，所述载荷舱支撑板(3)上设置有测角装置(2)。
8.根据权利要求1所述的基于气浮球窝主动跟随的内嵌式半物理仿真系统，其特征在于，所述载荷舱支撑板(3)或者平台舱支撑板(6)，采用以下任一种结构：
-圆柱与圆锥复合的加筋壳焊接结构；
-圆柱圆锥一体式铸造结构。
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