CN109774986B - 一种磁悬浮立方体浮空飞行器 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮立方体浮空飞行器由立方体本体和三组沿三轴对称分布的磁悬浮螺旋桨系统构成，适用于有空气、微重力的环境。磁悬浮螺旋桨由定子和转子组成，转子主要包括：螺旋桨、转盘、电机转子、磁轴承转子；定子主要包括：磁轴承定子、电机定子等。磁轴承控制转子三自由度平动悬浮和两自由度径向偏转，电机驱动转子轴向旋转。每组磁悬浮螺旋桨协同工作，当转子不发生偏转、转轴过质心时，输出控制力，实现飞行器的轨道控制；当转子发生偏转、转轴不过质心时形成一对力偶，输出控制力矩，实现飞行器的姿态控制。本发明首次提出磁悬浮立方体浮空飞行器的概念，利用磁悬浮螺旋桨集成控制飞行器的轨道和姿态，具有小体积、低功耗、多功能密度等优点。

Description

一种磁悬浮立方体浮空飞行器

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮立方体浮空飞行器，适用于有空气、微重力的环境。磁悬浮螺旋桨由定子和转子组成，实现磁悬浮立方体浮空飞行器姿态和轨道的集成控制，主要用于载人航天器内的监控、维护、拍摄照片及视频拍摄。载荷舱也可以放置其他功能载荷，满足航天任务需求。

背景技术

空间站、载人飞船、航天飞机这些载人航天器作为科学研究和开发太空资源的手段，为人类提供了一个在太空轨道上进行对地观测和天文观测的手段。然而身处其中的宇航员每天都需要花费大量的时间对一些设备进行维护，记录实验过程，拍摄照片及视频。所以很有必要在这种工作场合设计一种自主或在地面人员的控制下移动飞行的飞行器，从而协助任务控制人员完成任务。磁悬浮立方体浮空飞行器还可以改造为航天器内部的智能机器人、相关载荷单元，提供相关的监测和预警等服务。

载人航天器在太空中处于失重，同时为了满足宇航员的正常生活，内部存在着适宜宇航员生存的空气。在这样的条件下，需要研制一种符合这种环境的飞行器，使飞行器能够在舱内调节姿态、保证飞行。磁悬浮立方体浮空飞行器是一种适用于具有空气、微重力的环境中，例如空间站、载人飞船等航天器内部，由于舱内磁悬浮立方体浮空飞行器工作环境安全稳定，磁悬浮立方体浮空飞行器可以利用相关前沿技术设计和选用高性能的商业元器件，可以降低磁悬浮立方体浮空飞行器的相关制造成本，提高可重复使用率。

磁悬浮技术在航天领域应用广泛，由于传统的机械结构会有较大的摩擦，会使得转子系统使用寿命缩短，同时会损失大量的能耗。同时本文涉及的磁悬浮螺旋桨具有小角度的径向偏转，而磁悬浮螺旋桨由于定转子不接触，所以使得径向偏转控制时响应速度快。在航天领域，一般把磁悬浮技术应用在卫星平台的飞轮系统作为姿态控制系统的执行机构。现有专利申请号201510006597.5提出一种磁悬浮控制敏感陀螺，其作为执行机构应用在在卫星姿态控制中，现有专利申请号201810281513.2提出一种卫星用磁悬浮万向偏转隔震吊舱，其应用于卫星隔振吊舱中。而本发明提出的磁悬浮螺旋桨集成控制浮空飞行器的姿态和轨道运动。

发明内容

本发明的技术解决问题是：载人航天器在太空中工作的时候，处于失重的环境中，而航天员要在舱内生活工作，内部存在着适合宇航员生活的气体。在这样的工作环境，怎么设计一种能够在载人航天器中帮助宇航员工作的浮空飞行器。

本发明的技术解决方案：本发明提供了一种磁悬浮立方体浮空飞行器，所述飞行器主要由立方体本体和六个磁悬浮螺旋桨组件构成。所述的六个磁悬浮转子螺旋桨分别安装在立方体本体的每个正方形面板的中心，两两沿立方体三轴对称分布，每个磁悬浮转子螺旋桨组件能够输出轴向转动力和小角度径向偏转力矩。每组磁悬浮螺旋桨协同工作，当转子不发生偏转、转轴过质心时，输出控制力，实现飞行器的轨道控制；当转子发生偏转、转轴不过质心时形成一对力偶，输出控制力矩，实现飞行器的姿态控制。能够实现磁悬浮立方体浮空飞行器快速机动相应。

磁悬浮螺旋桨由定子系统和转子系统组成，定子系统主要包括：底座、磁悬浮螺旋桨壳体、平动磁轴承定子、偏转磁轴承定子、电机定子；转子系统主要包括：螺旋桨、转盘、电机转子、偏转磁轴承转子、转盘保护轴。

立方体本体主要由一个四面的立方体框架、立方体框架上面板、立方体框架下面板组成，四面的立方体框架、立方体框架上面板、立方体框架下面板通过四根螺纹销轴进行连接。载荷舱放置电源管理和供电模块，可以由可充电蓄电池组构成，外部预留可充电接口，电源管理模块实现供电系统优化管理；载荷舱放置综合电子系统模块，执行飞行器任务管理、姿态控制和相关数据采集、处理、储存、计算等；载荷舱放置通信模块，可以建立基于ROS系统的多个立方体浮空飞行器、太空舱与飞行器的数据链路；载荷舱放置姿态测量模块，可以采用高性能MIMU单元模块。磁悬浮立方体浮空飞行器工作在存在空气、微重力环境的航天器中，所以可以选用高性能、便宜的商业元器件。载荷舱放置相关应用载荷相机。

上述方案的原理是：磁悬浮立方体浮空飞行器处于工作状态下，通过径向磁轴承使得磁悬浮螺旋桨进行悬浮，保持转子的轴向方向通过飞行器的质心。电机驱动转子工作，使磁悬浮螺旋桨旋转，调节转速的大小可以控制输出力的大小，成对工作的磁悬浮螺旋桨产生过质心的控制力，实现飞行器的轨道控制。当洛伦兹力磁轴承工作时，转子发生偏转、转轴不过质心时形成一对力偶，输出控制力矩，实现飞行器的姿态控制。从而实现磁悬浮立方体浮空飞行器姿态和轨道的集成控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：磁悬浮立方体浮空飞行器适用于有空气、微重力的环境。磁悬浮立方体浮空飞行器采用磁悬浮螺旋桨结构，在这种工作环境中，磁悬浮螺旋桨有轨道控制和姿态控制两种工作模式。当磁悬浮螺旋桨不工作时，则磁悬浮立方体浮空飞行器静浮于该环境中。

附图说明

图1为本发明技术解决方案的一种磁悬浮立方体浮空飞行器的局部剖面图；

图2为本发明技术解决方案的磁悬浮螺旋桨系统截面图；

图3为本发明技术解决方案的一种磁悬浮立方体浮空飞行器的整体图。

具体实施方式

如图1所示，一种磁悬浮立方体浮空飞行器，由立方体本体和三组沿三轴对称分布的磁悬浮螺旋桨系统组成，六个磁悬浮转子螺旋桨分别安装在立方体本体的每个正方形面板的中心，两两沿立方体三轴对称分布。立方体本体主要由一个四面的立方体框架、立方体框架上面板、立方体框架下面板组成。四面的立方体框架、立方体框架上面板、立方体框架下面板通过四根螺纹销轴进行连接。立方体本体可以放置：电源管理和供电模块、综合电子系统模块、通信模块、载荷相机。

如图2所示，图2为本发明中的磁悬浮螺旋桨系统剖面图，磁悬浮螺旋桨由定子系统和转子系统组成，定子系统主要包括：底座(1)、磁悬浮螺旋桨壳体(2)、平动磁轴承定子(3)、偏转磁轴承定子(4)、电机定子(5)；转子系统主要包括：螺旋桨(6)、转盘(7)、电机转子(8)、偏转磁轴承转子(9)、转盘保护轴承(10)；螺旋桨(6)位于转盘(7)上端，通过螺纹与转盘(7)固连；电机定子(5)位于底座(1)轴向上端、通过螺钉固连在底座(1)上，电机转子(8)位于电机定子(5)径向外侧，通过螺母紧固在转盘(7)上，电机通电后驱动电机转子(8)实现磁悬浮螺旋桨轴向旋转；径向偏转磁轴承定子(4)位于底座(1)轴向上端，通过螺钉固连在底座(1)上，偏转磁轴承转子(9)位于偏转磁轴承定子(4)径向两侧，通过螺母紧固在转盘(7)上，偏转磁轴承通电后控制磁悬浮螺旋桨实现径向两自由度偏转；四个平动磁轴承定子(3)固连在磁悬浮螺旋桨壳体(2)径向内侧，沿周向平均分布，平动磁轴承通电后控制磁悬浮螺旋桨转子三自由度平动，实现转子系统的稳定悬浮。六个磁悬浮转子螺旋桨分别安装在立方体本体的每个正方形面板的中心，两两沿立方体三轴对称分布。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种磁悬浮立方体浮空飞行器，主要包括立方体飞行器本体和三组对称分布的磁悬浮螺旋桨，其特征在于，磁悬浮螺旋桨由定子系统和转子系统组成，定子系统主要包括：底座(1)、磁悬浮螺旋桨壳体(2)、平动磁轴承定子(3)、偏转磁轴承定子(4)、电机定子(5)；转子系统主要包括：螺旋桨(6)、转盘(7)、电机转子(8)、偏转磁轴承转子(9)、转盘保护轴承(10)；螺旋桨(6)位于转盘(7)上端，通过螺纹与转盘(7)固连；电机定子(5)位于底座(1)轴向上端、通过螺钉固连在底座(1)上，电机转子(8)位于电机定子(5)径向外侧，通过螺母紧固在转盘(7)上，电机通电后驱动电机转子(8)实现磁悬浮螺旋桨转子系统轴向旋转；偏转磁轴承定子(4)位于底座(1)轴向上端，通过螺钉固连在底座(1)上，偏转磁轴承转子(9)位于偏转磁轴承定子(4)径向两侧，通过螺母紧固在转盘(7)上，偏转磁轴承通电后控制磁悬浮螺旋桨转子系统的径向两自由度偏转；四个平动磁轴承定子(3)固连在磁悬浮螺旋桨壳体(2)径向内侧，沿周向平均分布，平动磁轴承通电后控制磁悬浮螺旋桨转子三自由度平动，实现转子系统的平动稳定悬浮；六个磁悬浮螺旋桨分别安装在立方体六个正方形面板外侧的中心，两两沿立方体三轴对称分布；立方体飞行器本体由飞行保障系统和载荷舱组成，载荷舱所搭载的具体载荷可根据任务自由配置。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮立方体浮空飞行器，其特征在于：磁悬浮立方体浮空飞行器适用于有空气、微重力的环境，在这种工作环境中，磁悬浮螺旋桨有轨道控制和姿态控制两种工作模式；当磁悬浮螺旋桨不工作时，磁悬浮立方体浮空飞行器则静浮于该环境中。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮立方体浮空飞行器，其特征在于，当磁悬浮螺旋桨处于轨道控制工作模式时，磁悬浮螺旋桨转子位于平衡位置不发生偏转，两两磁悬浮螺旋桨转子转轴共线过立方体飞行器质心，转子沿转轴旋转后，产生一个同轴过质心的轨道控制力；通过调节螺旋桨转子的转速改变输出控制力的大小，进而控制磁悬浮立方体浮空飞行器的轨道运动速度，三组磁悬浮螺旋桨分别输出三轴控制力，实现该飞行器空间任意方向的轨道运动。

4.根据权利要求2所述的磁悬浮立方体浮空飞行器，其特征在于，当磁悬浮螺旋桨处于姿态控制工作模式时，在一定的角度范围内，偏转磁轴承使磁悬浮螺旋桨转子发生径向偏转，此时沿着螺旋桨轴线输出的作用力将不再通过飞行器的质心，进而产生一组使飞行器绕质心转动的控制力矩，用于控制磁悬浮立方体浮空飞行器的姿态运动，三组磁悬浮螺旋桨分别输出绕飞行器三主轴的控制力矩，实现该飞行器空间任意方向的姿态调整。

5.根据权利要求1或2所述的磁悬浮立方体浮空飞行器，其特征在于，偏转磁轴承可以采用洛伦兹力磁轴承或磁阻式磁轴承，磁极面可以为柱面或球面。

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