CN111284733A - 一种地面模拟航天器的气浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面模拟航天器的气浮装置，包括多个平面气浮轴承、主体框架、高压气罐、减压阀、多个空气喷嘴、多个电磁阀和电源，多个平面气浮轴承设置在主体框架的底面，高压气罐、减压阀、多个空气喷嘴、电磁阀和电源均位于所述主体框架内，高压气罐通过所述电磁阀与减压阀的进口连接，减压阀的出口分为两路，其中一路与多个平面气浮轴承连接，另一路与多个空气喷嘴连接，每个空气喷嘴配合设置有一个电磁阀，电磁阀用于控制进入对应空气喷嘴的气流的通断，电源给电磁阀供电。该装置结构简单，采用层式结构，可根据具体情况进行调整，模拟了无摩擦的环境并具有相应执行机构，可达到验证航天器制导算法的目的。

Description

一种地面模拟航天器的气浮装置

技术领域

本发明属于航天器地面试验设备技术领域，具体涉及一种地面模拟航天器的气浮装置。

背景技术

随着航天技术的不断发展，各种先进复杂的技术不断应用于卫星，当今新型微小卫星或卫星模块都需要具有智能性、敏捷性、可靠性及多功能性等特点。卫星上的各种传感器、制导与导航控制装置、电子设备、电力和推进系统正常稳定运行使卫星能够发现、跟踪、锁定并与目标物会合。由于航天器空间任务的难度及航天器本身结构的复杂性，所以在其进入太空之前，对这些控制设备和相应的轨道及姿态控制算法进行严格的地面测试是非常有必要的。最好的地面测试环境是尽可能地模拟卫星等航天器在太空飞行时自由运动的环境，但由于地球外部太空环境具有真空、失重等特点，再加上卫星等航天器在太空中极高的速度，想要在地面模拟出太空中微重力、微力矩约束的动力学环境无疑是非常困难的。

目前对卫星等航天器进行地面测试的方法主要有以下几种：一是采用落塔装置或飞机的抛物线运动，利用自由落体的失重环境来模拟太空的微重力环境，但由于其时间过短(仅几十秒)并且设备和手段过于特殊，不能广泛应用，对于航天器地面试验来说意义不大。二是水下试验，利用水的浮力来获得微重力的试验环境，对于训练宇航员在失重环境下的操作很有帮助，例如我国神舟七号航天员在进行太空漫步前就是在一个特制水槽中进行失重训练，但是卫星等航天器其上电子设备众多，并不适合完全浸泡在水中进行试验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地面模拟航天器的气浮装置，利用气浮轴承使航天模拟器悬浮，提供了一种无摩擦的环境，可模拟航天器在无重无摩擦环境下近距离操作的导航、制导和控制过程，以解决现有的航天器地面模拟装置结构复杂、成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种地面模拟航天器的气浮装置，包括多个平面气浮轴承、主体框架、高压气罐、减压阀、多个空气喷嘴、多个电磁阀和电源，所述多个平面气浮轴承设置在主体框架的底面，所述高压气罐、减压阀、多个空气喷嘴、电磁阀和电源均位于所述主体框架内，所述高压气罐通过所述电磁阀与减压阀的进口连接，所述减压阀的出口分为两路，其中一路与多个平面气浮轴承连接，另一路与多个空气喷嘴连接，每个所述空气喷嘴配合设置有一个电磁阀，所述电磁阀用于控制进入对应空气喷嘴的气流的通断，所述电源给电磁阀供电。

进一步地，所述主体框架包括多个立柱以及与所述立柱固定连接的自下而上设置的第一层支撑板、第二层支撑板、第三层支撑板和第四层支撑板。

进一步地，还包括设置在第三层支撑板上的动量轮。

进一步地，还包括设置在第四层支撑板上的光纤陀螺仪。

进一步地，还包括设置在第四层支撑板上的多个靶标。

进一步地，还包括设置在第四层支撑板下部的无线通信机。

进一步地，还包括设置在第二层支撑板上的控制板，所述控制板与电源、动量轮、光纤陀螺仪、多个靶标、无线通信机和电磁阀连接。

进一步地，所述高压气罐包括两个，其内储存有20MPa的高压气体，两个高压气罐的进气口均连接有金属管，所述金属管上设置有截止阀，每个高压气罐的出气口均设置有一个用于控制高压气罐开关的开关阀。

进一步地，所述减压阀包括低压减压阀和高压减压阀，两个高压气罐的出气口均通过金属管与高压减压阀连接，高压减压阀通过塑料软管与低压减压阀连接，所述低压减压阀出口气体压力为0.3-0.5MPa，所述高压减压阀出口气体压力为0.9-1.3MPa。

进一步地，所述平面气浮轴承数量为四个，分别设置在主体框架底部四个角处，所述空气喷嘴的数量为八个，八个所述空气喷嘴均设置在第二层支撑板的底部，第二层支撑板底部每一侧均布置有两个空气喷嘴。

(1)采用框架层式结构，具有结构简单、体积小等特点，可根据需要增减层数；

(2)底部装有四个平面气浮轴承，可以悬浮在光滑的大理石平面上，模拟航天器在空间中无摩擦的环境；

(3)顶部有靶标，可通过视觉系统精确定位，并通过无线通信机获取位置信息，模拟航天器导航的过程；

(4)在第三层支撑板上设置有动量轮，调节自身姿态，更加灵活；

(5)在第二层支撑板上设置有八个微推进器可调节位置和速度，相比传统的航天器地面模拟试验，机动性更强；

(6)可在控制板上写入不同的制导算法，验证制导算法的可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明地面模拟航天器的气浮装置的结构示意图。

图中，1.平面气浮轴承，2.第一层支撑板，3.空气喷嘴，4.第二层支撑板，5.低压减压阀，6.第三层支撑板，7.第四层支撑板，8.光纤陀螺仪，9.靶标，10.无线通信机，11.电源，12.动量轮，13.高压减压阀，14.控制板，15.高压气罐，16.立柱，17.开关阀，18.截止阀，19.金属管，20.塑料软管，21.电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

结合图1，本发明一种模拟航天器的气浮装置，包括主体框架、气浮系统、微推进系统、导航系统和控制系统。主体框架主要包括四根立柱16和四层支撑板，第一层支撑板2固定于四根立柱16的底部，第二层支撑板4和第三层支撑板6间隔一定距离固定于四根立柱16中部，第四层支撑板7固定于立柱顶端。

气浮系统设置于主体框架的第一层支撑板2和第二层支撑板4上，主要使整个装置悬浮在平台上，包括两个高压气罐15、开关阀17、高压减压阀13、低压减压阀5、截止阀18、四个平面气浮轴承1。两个高压气罐15固定在第一层支撑板2上，开关阀门17安装在高压气罐口，高压减压阀13和低压减压阀5固定在第二层支撑板4上，高压减压阀13通过金属管19和开关阀门17连接，低压减压阀5通过塑料软管20和高压减压阀13连接，四个平面气浮轴承1通过连接杆固定在第一层支撑板2底部四角。

微推进系统设置于主体框架的第二层支撑板4上，通过八个空气喷嘴喷气使整个装置机动，包括八个电磁阀21和八个空气喷嘴3，八个电磁阀21分布在第二层支撑板4的下面，分为四组，每边两个电磁阀，八个空气喷嘴分别安装在八个电磁阀上。

导航系统包括四个靶标9、无线通信机10、光纤陀螺仪8，四个靶标9固定于第四层支撑板7的四个角，光纤陀螺仪8固定在第四层支撑板7的中心，无线通信机10固定在第四层支撑板7的下面。控制系统包括电源11、控制板14、动量轮12，设置于第二层支撑板4和第三层支撑板6上，动量轮12固定在第三层支撑板6的中心，电源11固定在第三层支撑板6上，为电磁阀21、动量轮12、光纤陀螺仪8、无线通信机10、控制板14等供电，控制板14固定在第二层支撑板4上。

本发明的工作原理为：初始状态下气浮系统使整体装置悬浮在大理石平台上，气浮系统中的高压气罐储存20Mpa的高压气体，经过高压减压阀将压力降到1Mpa，再经过低压减压阀将压力降到0.4Mpa左右，二级减压阀有空气过滤器防止污染物和外来物质堵塞空气轴承。将0.4Mpa的气体通过塑料管道连接到四个平面空气轴承中，在轴承面和大理石面之间形成一层极薄的空气薄膜，以实现在平台上的无摩擦运动。微推进系统与气浮系统同样采用减压后的空气作为动力，0.4Mpa的空气通过喷嘴产生反作用力使气浮平台平移或者旋转。

在模拟航天器进行机动时，气浮装置上的四个靶标作为识别装置供布置在气浮装置周围的视觉系统确定位置和姿态信息，并通过无线通信机接收。控制板在得到装置初始的位置和姿态信息之后，结合目标位置，就可以根据控制板上的制导算法解算出制导策略并给出相应的控制量，然后将控制量发送到微推进系统、动量轮等执行机构就可以控制装置的平移和旋转，向目标位置逼近。在逼近的过程中，气浮装置不断根据自己的位置信息变化更新控制量，进行调整修正，直到最后达到目标位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，包括多个平面气浮轴承(1)、主体框架、高压气罐(15)、减压阀、多个空气喷嘴(3)、多个电磁阀(21)和电源(11)，所述多个平面气浮轴承(1)设置在主体框架的底面，所述高压气罐(15)、减压阀、多个空气喷嘴(3)、电磁阀(21)和电源(11)均位于所述主体框架内，所述高压气罐(15)通过所述电磁阀(21)与减压阀的进口连接，所述减压阀的出口分为两路，其中一路与多个平面气浮轴承(1)连接，另一路与多个空气喷嘴(3)连接，每个所述空气喷嘴(3)配合设置有一个电磁阀(21)，所述电磁阀(21)用于控制进入对应空气喷嘴(3)的气流的通断，所述电源(11)给电磁阀(21)供电。

2.根据权利要求1所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，所述主体框架包括多个立柱(16)以及与所述立柱(16)固定连接的自下而上设置的第一层支撑板(2)、第二层支撑板(4)、第三层支撑板(6)和第四层支撑板(7)。

3.根据权利要求2所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，还包括设置在第三层支撑板(6)上的动量轮(12)。

4.根据权利要求3所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，还包括设置在第四层支撑板(7)上的光纤陀螺仪(8)。

5.根据权利要求4所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，还包括设置在第四层支撑板(7)上的多个靶标(9)。

6.根据权利要求5所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，还包括设置在第四层支撑板(7)下部的无线通信机(10)。

7.根据权利要求6所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，还包括设置在第二层支撑板(4)上的控制板(14)，所述控制板(14)与电源(11)、动量轮(12)、光纤陀螺仪(8)、多个靶标(9)、无线通信机(10)和电磁阀(21)连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，所述高压气罐(15)包括两个，其内储存有20MPa的高压气体，两个高压气罐(15)的进气口均连接有金属管(19)，所述金属管(19)上设置有截止阀(18)，每个高压气罐(15)的出气口均设置有一个用于控制高压气罐(15)开关的开关阀(17)。

9.根据权利要求8所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，所述减压阀包括低压减压阀(5)和高压减压阀(13)，两个高压气罐(15)的出气口均通过金属管(19)与高压减压阀(13)连接，高压减压阀(13)通过塑料软管(20)与低压减压阀(5)连接，所述低压减压阀(5)出口气体压力为0.3-0.5MPa，所述高压减压阀(13)出口气体压力为0.9-1.3MPa。

10.根据权利要求2-7任一项所述的地面模拟航天器的气浮装置，其特征在于，所述平面气浮轴承(1)数量为四个，分别设置在主体框架底部四个角处，所述空气喷嘴(3)的数量为八个，八个所述空气喷嘴(3)均设置在第二层支撑板(4)的底部，第二层支撑板(4)底部每一侧均布置有两个空气喷嘴(3)。

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