CN112598948A - 一种用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于地面模拟仿真技术领域，特别涉及一种用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置。包括地面支座、训练用整体式框架及组合式弹性伸缩装置，其中训练用整体式框架设置于地面支座上并且底部通过底部支撑组件与地面支座连接；组合式弹性伸缩装置的下端通过底部翻转连接组件与地面支座连接，上端通过顶部翻转连接组件与训练用整体式框架连接；训练用整体式框架作为模拟实验柜有效载荷，组合式弹性伸缩装置对训练用整体式框架的反复翻转提供辅助动力。本发明的各部分结构件在设计过程中执行标准，各部件简单易得，装配体便于拆装，零部件交换性较好，便于满足地面试验重复次数多的要求。

Description

一种用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置

技术领域

本发明属于地面模拟仿真技术领域，特别涉及一种用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置。

背景技术

宇航员在空间站服役之前，必须要对空间站实验柜等装备设施的使用具有极高的熟练程度，这就需要宇航员在上天之前，在地面进行反复的试验和训练，其中就包括对空间站实验柜的翻转、维护和检修。由于太空处于微重力环境，宇航员在太空中对实验柜的翻转操作与在地面截然不同，因此，在地面进行实验柜的翻转模拟操作，必要借助一定的辅助装置，以抵消在地面的重力场，因此急需一种供宇航员地面训练使用的模拟实验柜翻转机构。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，通过翻转装置一定程度上抵消地面的重力作用，以模拟较为真实的太空微重力环境下的操作。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，包括地面支座、训练用整体式框架及组合式弹性伸缩装置，其中训练用整体式框架设置于地面支座上并且底部通过底部支撑组件与所述地面支座连接；所述组合式弹性伸缩装置的下端通过底部翻转连接组件与所述地面支座连接，上端通过顶部翻转连接组件与所述训练用整体式框架连接；所述训练用整体式框架作为模拟实验柜有效载荷，所述组合式弹性伸缩装置对所述训练用整体式框架的反复翻转提供辅助动力。

所述组合式弹性伸缩装置包括压簧套筒、伸缩杆、拉簧杆及底部压簧，其中压簧套筒的下端与所述底部翻转连接组件连接，所述伸缩杆的下端可滑动地插设于所述压簧套筒内，所述底部压簧容置于所述压簧套筒内，且位于所述伸缩杆的下方；所述拉簧杆的下端与所述伸缩杆的上端弹性连接，所述拉簧杆的上端与所述顶部翻转连接组件连接。

所述伸缩杆的上端沿轴线设有滑槽，所述拉簧杆的下端与所述滑槽滑动连接，所述滑槽内设有拉簧，所述拉簧的下端与所述伸缩杆连接，上端与所述拉簧杆连接。

所述压簧套筒的上端端部设有套筒挡圈，所述套筒挡圈为所述伸缩杆的压缩动作提供限位。

所述伸缩杆的上端端部设有套筒端盖，所述套筒端盖为所述拉簧杆的拉伸动作提供限位。

所述组合式弹性伸缩装置为两组，分别设置于所述训练用整体式框架的两侧。

所述底部翻转连接组件包括地面铰支座、下端铰支座及底部销钉，其中地面铰支座固连于所述地面支座上，所述下端铰支座与所述压簧套筒连接，所述地面铰支座和下端铰支座通过底部销钉转动连接。

所述顶部翻转连接组件包括定位连接板、顶端轴承和销钉，其中定位连接板固连于训练用整体式框架两侧面的花纹板中，顶端轴承设置于定位连接板上设有的轴承座内，顶端轴承通过销钉18与拉簧杆连接。

所述定位连接板为长条形结构，且沿竖直方向设置。

所述底部支撑组件包括万向滚轮，所述万向滚轮设置于所述地面支座上，用于支撑所述训练用整体式框架。

本发明的优点与有益效果是：

1.本发明通过拉簧和压簧的组合式弹簧结构实现有效载荷在翻转过程中的重力抵消，方法简单巧妙，且细长杆状结构所占空间狭小，对宇航员的实际操作影响较小；

2.本发明的组合式弹簧结构造价低，结构稳定可靠，易于实现；

3.本发明的各部分结构件在设计过程中执行标准，各部件简单易得，装配体便于拆装，零部件交换性较好，便于满足地面试验重复次数多的要求。

附图说明

图1为本发明一种于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置的结构示意图；

图2为本发明的组合式弹性伸缩装置的结构示意图；

图3为本发明的组合式弹性伸缩装置的剖视图；

图4为本发明的底部支撑组件的结构示意图；

图5为本发明的顶部翻转连接组件的结构示意图；

图6为本发明的底部翻转连接组件的结构示意图；

图7为本发明的翻转过程原理图。

图中：1为训练用整体式框架，2为底部支撑组件，3为顶部翻转连接组件，4为组合式弹性伸缩装置，5为底部翻转连接组件，6为地面铰支座，7为下端铰支座，8为压簧套筒，9为套筒挡圈，10为伸缩杆，11为拉簧杆，12为底部压簧，13为拉簧，14为拉簧销，15为套筒端盖，16为定位连接板，17为顶端轴承，18为销钉，19为地面支座，20为万向滚轮，21为螺钉，22为底部销钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，包括地面支座19、训练用整体式框架1及组合式弹性伸缩装置4，其中训练用整体式框架1设置于地面支座19上并且底部通过底部支撑组件2与地面支座19连接；组合式弹性伸缩装置4的下端通过底部翻转连接组件5与地面支座19连接，上端通过顶部翻转连接组件3与训练用整体式框架1连接；训练用整体式框架1作为模拟实验柜有效载荷，组合式弹性伸缩装置4对训练用整体式框架1的反复翻转提供辅助动力。

如图2-3所示，本发明的实施例中，组合式弹性伸缩装置4包括压簧套筒8、伸缩杆10、拉簧杆11及底部压簧12，其中压簧套筒8的下端与底部翻转连接组件5连接，伸缩杆10的下端可滑动地插设于压簧套筒8内，底部压簧12容置于压簧套筒8内，且位于伸缩杆10的下方；拉簧杆11的下端与伸缩杆10的上端弹性连接，拉簧杆11的上端与顶部翻转连接组件3连接。

具体地，伸缩杆10的上端沿轴线设有滑槽，拉簧杆11的下端与滑槽滑动连接，滑槽内设有拉簧13，拉簧13的下端通过拉簧销14与伸缩杆10连接，上端与拉簧杆11连接。进一步地，伸缩杆上部滑槽内设计有销孔，拉簧销14与销孔之间实现过盈配合；拉簧杆11的下端设计有耳孔，拉簧13的另一端悬挂于耳孔上，实现拉簧13的两端固定。

本发明的实施例中，压簧套筒8的上端端部设有套筒挡圈9，套筒挡圈9为伸缩杆10的压缩动作提供限位。伸缩杆10的上端端部设有套筒端盖15，套筒端盖15为拉簧杆11的拉伸动作提供限位。

本发明的实施例中，组合式弹性伸缩装置4为两组，分别设置于训练用整体式框架1的两侧。

如图4所示，本发明的实施例中，底部支撑组件2包括万向滚轮20，万向滚轮20设置于地面支座19上，用于支撑训练用整体式框架1。

具体地，万向滚轮20与地面支座19之间通过螺栓连接，万向滚轮20的滚珠内嵌于万向滚轮内部，内部存在光滑滑动，滚珠突出部分与训练用整体式框架1相接触，将滑动接触变为滚动接触，为训练用载荷的水平微小移动减小了阻力。

如图5所示，本发明的实施例中，顶部翻转连接组件3包括定位连接板16、顶端轴承17和销钉18，其中定位连接板16固连于训练用整体式框架1两侧面的花纹板中，顶端轴承17设置于定位连接板16上设有的轴承座内，顶端轴承17通过销钉18与拉簧杆11连接。

由于定位连接板16在承受较大载荷，所以定位连接板16设计长度较长，共采用四组螺纹连接，实现与花纹板的紧密连接。

如图6所示，本发明的实施例中，底部翻转连接组件5包括地面铰支座6、下端铰支座7及底部销钉22，其中地面铰支座6固连于地面支座19上，下端铰支座7与压簧套筒8连接，地面铰支座6和下端铰支座7通过底部销钉22转动连接。

本发明的实施例中，训练用整体式框架1作为模拟实验柜有效载荷，组合式弹性伸缩装置4作为主要结构装置辅助宇航员对模拟实验柜进行反复多次翻转训练；底部支撑组件2用以支撑训练用整体式框架1，固定于模拟舱段地面上；顶部翻转连接组件3用以铰接训练用整体式框架1与组合式弹性伸缩装置4，底部翻转连接组件5用以铰接组合式弹性伸缩装置4与模拟舱段地面。

本发明的实施例中，训练用整体式框架1通过螺钉、胶接等方式将主结构、背部结构、侧面板相连，在本实施例中作为模拟实验柜的整柜有效载荷。底部支撑组件2布置于整体有效载荷四角，其中底部两角通过内嵌滚珠结构实现有效载荷的平动。顶部翻转连接组件3嵌入有效载荷两侧边，通过铰接实现组合式弹性伸缩结构与训练用整体式框架间的固定与连接。组合式弹性伸缩装置4由两级伸缩套筒组成，分别内嵌一组压簧和一组拉簧，为航天员在实施整柜翻转过程中提供助力，以实现航天员在地面进行多次、重复的实验柜翻转训练。

如图7所示，航天员在训练过程中借助科学实验柜地面翻转装置实现模拟实验柜翻转的整个过程；在训练用整体式框架1向下翻转过程中，翻转初始时刻，即状态A，由于拉簧13处于受拉状态，可以为宇航员的初始操作提供助力，此时，阻尼力来自实验柜自身重力；随着训练用整体式框架1向下翻转角度增大，组合式弹性伸缩装置4总长度变短，拉簧13的拉力减小直至消失，此时训练用整体式框架1的重心在过旋转中心的竖直线附近，力矩极小，即达到状态B；当训练用整体式框架1的重心穿过竖直线后，重力提供的力矩作为推进力，使训练用整体式框架1向下翻转，此时伸缩杆10在压簧套筒8内向下运动，使底部压簧12处于受压状态，为向下翻转的过程提供阻尼。随着训练用整体式框架1向下翻转角度的增大，重力提供的力矩逐渐增大，与此同时，底部压簧12所提供的弹力也逐渐增大，如状态C。待运动到指定位置时，由机构进行锁死。

在训练用整体式框架1向上翻转的过程中，翻转初始时刻，由于底部压簧12处于受压状态，可以为宇航员的初始操作提供助力，此时，阻尼力来自训练用整体式框架1自身重力，如状态C；随着训练用整体式框架1向上翻转角度的增大，组合式弹性伸缩装置4总长度变长，底部压簧12弹力逐渐减小直至消失，与此同时，重力所提供的阻尼力矩逐渐减小，如状态B。当训练用整体式框架1的重心穿过竖直线后，重力提供的力矩作为推进力，使训练用整体式框架1向上翻转，同时拉簧13逐渐伸长，产生的弹力为宇航员提供助力。待到训练用整体式框架1运动到竖直位置，由机构进行锁死，即达到状态A。

本发明的工作原理：

宇航员在使用本发明装置实现整柜翻转过程共分为两个步骤，首先宇航员握紧训练用整体式框架1两侧将训练用整体式框架1水平拉出一微小距离，此时万向滚轮20与训练用整体式框架1之间为滑动摩擦关系，为宇航员的水平外拉动作提供助力；其次，宇航员握紧训练用整体式框架1实现模拟实验柜的整体翻转，开始一段时间由拉簧13的预紧力为宇航员提供助力，待到达力平衡位置后，拉簧13不作用，底部压簧12开始受压，为宇航员的继续翻转动作提供助力，抵消部分重力作用。整柜翻转动作的回程首先由底部压簧12储存的弹性势能为宇航员提供助力，待达到力平衡点后，拉簧13逐渐被拉伸，抵消部分重力作用，最终实现整柜复位。

本发明的各部分结构件在设计过程中执行标准，各部件简单易得，装配体便于拆装，零部件交换性较好，便于满足地面试验重复次数多的要求。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，包括地面支座(19)、训练用整体式框架(1)及组合式弹性伸缩装置(4)，其中训练用整体式框架(1)设置于地面支座(19)上并且底部通过底部支撑组件(2)与所述地面支座(19)连接；所述组合式弹性伸缩装置(4)的下端通过底部翻转连接组件(5)与所述地面支座(19)连接，上端通过顶部翻转连接组件(3)与所述训练用整体式框架(1)连接；所述训练用整体式框架(1)作为模拟实验柜有效载荷，所述组合式弹性伸缩装置(4)对所述训练用整体式框架(1)的反复翻转提供辅助动力。

2.根据权利要求1所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述组合式弹性伸缩装置(4)包括压簧套筒(8)、伸缩杆(10)、拉簧杆(11)及底部压簧(12)，其中压簧套筒(8)的下端与所述底部翻转连接组件(5)连接，所述伸缩杆(10)的下端可滑动地插设于所述压簧套筒(8)内，所述底部压簧(12)容置于所述压簧套筒(8)内，且位于所述伸缩杆(10)的下方；所述拉簧杆(11)的下端与所述伸缩杆(10)的上端弹性连接，所述拉簧杆(11)的上端与所述顶部翻转连接组件(3)连接。

3.根据权利要求2所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述伸缩杆(10)的上端沿轴线设有滑槽，所述拉簧杆(11)的下端与所述滑槽滑动连接，所述滑槽内设有拉簧(13)，所述拉簧(13)的下端与所述伸缩杆(10)连接，上端与所述拉簧杆(11)连接。

4.根据权利要求2所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述压簧套筒(8)的上端端部设有套筒挡圈(9)，所述套筒挡圈(9)为所述伸缩杆(10)的压缩动作提供限位。

5.根据权利要求2所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述伸缩杆(10)的上端端部设有套筒端盖(15)，所述套筒端盖(15)为所述拉簧杆(11)的拉伸动作提供限位。

6.根据权利要求2-5任一项所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述组合式弹性伸缩装置(4)为两组，分别设置于所述训练用整体式框架(1)的两侧。

7.根据权利要求2所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述底部翻转连接组件(5)包括地面铰支座(6)、下端铰支座(7)及底部销钉(22)，其中地面铰支座(6)固连于所述地面支座(19)上，所述下端铰支座(7)与所述压簧套筒(8)连接，所述地面铰支座(6)和下端铰支座(7)通过底部销钉(22)转动连接。

8.根据权利要求2所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述顶部翻转连接组件(3)包括定位连接板(16)、顶端轴承(17)和销钉(18)，其中定位连接板(16)固连于训练用整体式框架(1)两侧面的花纹板中，顶端轴承(17)设置于定位连接板(16)上设有的轴承座内，顶端轴承(17)通过销钉18与拉簧杆(11)连接。

9.根据权利要求8所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述定位连接板(16)为长条形结构，且沿竖直方向设置。

10.根据权利要求1所述的用于航天员训练的科学实验柜地面翻转装置，其特征在于，所述底部支撑组件(2)包括万向滚轮(20)，所述万向滚轮(20)设置于所述地面支座(19)上，用于支撑所述训练用整体式框架(1)。

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