CN113479356B - 哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置 - Google Patents

Abstract

哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，涉及飞行器地面零重力模拟领域。解决了现有技术中由于采用传统圆柱形气浮滑轮结构原因，导致零重力模拟装置承载能力差的问题。本发明中每个哑铃形气浮滑轮机构包括哑铃形气浮滑轮和挂绳，且挂绳挂设在哑铃形气浮滑轮上，挂绳的一端与配重框的下部固定连接，挂绳的另一端与随动框的下部固定连接；N个哑铃形气浮滑轮沿周向均匀布设在支撑基座的顶端面上；哑铃形气浮滑轮通过气浮润滑的方式实现气浮滑轮近似无摩擦的转动，通过调节配重的重量实现气浮滑轮两端的配重端和随动端达到平衡，进而实现随动端的重力补偿。本发明主要用于空间机构对接、抓捕等动力学方面的地面模拟。

Description

哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置

技术领域

本发明涉及飞行器地面零重力模拟领域。

背景技术

航天器研制周期长、成本昂贵、难以在轨维护，如何通过有效的地面测试最大程度地揭示各种扰动因素的影响、验证技术方案是提高航天器运行可靠性的关键手段。航天器天地一致性是回答航天器地面测试有效性的关键和开展航天器地面测试的理论基础，而高精度的自由边界模拟是实现大尺度多柔体航天器天地一致性的关键手段，是完成力学特性测试、姿态及轨道控制系统性能评估和在轨操控关键技术验证等任务所面临的基础和关键问题。高精度的自由边界模拟当中，竖直方向的高精度重力补偿一直以来是难点问题，其要求在补偿重力的同时还具有一定范围的竖向运动自由度，这对动力学和运动学的模拟都提出了很高的要求。

目前，国内外在竖直方向零重力模拟方面采用的手段有悬吊法、落塔法、恒力气缸等。其中，悬吊法采用的主动控制方案响应频率低，落塔法的仿真时间过短，恒力气缸则由于气体的高度压缩性，无法满足高精度的需求。气浮方法由于气体润滑近似于无摩擦，在航天器地面模拟领域有着天然的优势。气浮滑轮是采用气浮原理，实现近似于无摩擦的定滑轮功能，但传统圆柱形气浮滑轮由于其结构原因，承载能力差，在航天器地面零重力模拟方面应用有限。因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中由于采用传统圆柱形气浮滑轮结构原因，导致零重力模拟装置承载能力差的问题，本发明提供了一种哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置。

哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，包括N个哑铃形气浮滑轮机构、配重框、随动框、支撑基座、气足；N为大于或等于2的整数；

随动框上部用于固定载荷；

每个哑铃形气浮滑轮机构包括哑铃形气浮滑轮和挂绳，且挂绳挂设在哑铃形气浮滑轮上，挂绳的一端与配重框的下部固定连接，挂绳的另一端与随动框的下部固定连接；

每个哑铃形气浮滑轮机构中的哑铃形气浮滑轮通过气浮润滑的方式实现转动；

N个哑铃形气浮滑轮沿周向均匀布设在支撑基座的顶端面上；

气足固定在支撑基座的底端面上；

配重框和随动框共轴，且配重框套在随动框外侧，二者间存在间隙；

配重框和随动框均可相对于支撑基座的顶端面上、下移动，且配重框和随动框的运动方向相反。

优选的是，每个哑铃形气浮滑轮包括两个气浮球、连接轴和两个气浮球窝，

两个气浮球固定在连接轴的两端，两个气浮球窝均固定在支撑基座的顶端面上，且两个气浮球窝分别与两个气浮球气浮连接。

优选的是，气浮球窝采用多孔制材料制成。

优选的是，配重框和随动框分别位于哑铃形气浮滑轮的两侧。

优选的是，配重框的重力等于随动框和载荷的重力之和。

优选的是，配重框包括1号上框体、1号下框体和1号气浮导向装置；

1号气浮导向装置包括1号气浮导杆和1号气浮轴承，1号气浮轴承套设在1号气浮导杆上，且二者气浮连接，1号气浮轴承可相对于1号气浮导杆上、下移动；

1号气浮导向装置贯穿支撑基座的顶端面，1号气浮导杆的两端固定在1号上框体与1号下框体之间，且支撑基座的顶端面位于1号上框体和1号下框体之间；

1号气浮轴承的外壁固定在支撑基座的顶端面上；

挂绳的一端与配重框的1号下框体固定连接。

优选的是，随动框包括2号上框体、2号下框体和2号气浮导向装置；

2号气浮导向装置包括2号气浮导杆和2号气浮轴承，2号气浮轴承套设在2号气浮导杆上，且二者气浮连接，2号气浮轴承可相对于2号气浮导杆上、下移动；

2号气浮导向装置贯穿支撑基座的顶端面，2号气浮导杆的两端固定在2号上框体与2号下框体之间，且支撑基座的顶端面位于2号上框体和2号下框体之间；

2号气浮轴承的外壁固定在支撑基座的顶端面上；

挂绳的另一端与随动框的2号下框体固定连接。

优选的是，支撑基座与配重框和随动框共轴；

支撑基座包括顶端面、底端面和支撑杆；

支撑杆固定在顶端面和底端面之间；

支撑基座的顶端面为环形结构；

支撑基座的底端面为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔。

优选的是，1号上框体和1号下框体为圆环形结构，且1号上框体和1号下框体的内径相同。

优选的是，2号上框体为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔；

2号下框体为圆环形结构，且2号上框体的直径和2号下框体的外径相同。

本发明带来的有益效果是：

本发明提出了哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，通过设计将气浮球转化为承载能力高的气浮滑轮，并采用气体润滑与配重平衡的方式，实现了对目标载荷的竖直方向零重力模拟，抵消掉了载荷的重力同时载荷在竖直方向有一定的运动自由度，承载能力强。

当更换不同的载荷6时，只需调整配重框2的配重重量，即可重新实现对应的重力补偿，所以整个重力补偿装置具有一定范围的适应能力，其适应能力取决于哑铃形气浮滑轮机构1。

本发明所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置具有结构简单可靠、纯机械、精度高的特点。该技术适用于航天器地面零重力模拟当中竖直方向的重力模拟，且满足了竖直方向重力模拟精度高、位移运动干扰小的要求。

每个哑铃形气浮滑轮1-1的气浮球窝1-1-3在所对应的气浮球1-1-1上，以气浮的方式无摩擦转动，与挂绳1-2配合实现定滑轮的功能。配重框2、随动框3分别固定在挂绳1-2两端，配重框和随动框加载荷的重量相等，这样就可以通过哑铃形气浮滑轮1-1和配重框2的配合将随动框及载荷的重力完全卸载。

气浮导向装置通过气体进行润滑，气浮导向杆与气浮轴承之间存在一层高刚度气膜，没有直接的接触，减小气浮导向装置的摩擦。

本发明所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置能够实现载荷重力的完全卸载，为航天器地面试验提供零重力条件，在竖直方向可以实现一定范围的零重力低摩擦运动。本发明能够提高卫星地面仿真精度，可应用于空间机构对接、抓捕等动力学方面的地面模拟。本发明用于航天器地面试验领域。

附图说明

图1是本发明所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置的结构示意图；

图2是哑铃形气浮滑轮1-1的结构示意图；

图3是哑铃形气浮滑轮机构1与支撑基座4的顶端面的位置关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，包括N个哑铃形气浮滑轮机构1、配重框2、随动框3、支撑基座4、气足5；N为大于或等于2的整数；

随动框3上部用于固定载荷6；

每个哑铃形气浮滑轮机构1包括哑铃形气浮滑轮1-1和挂绳1-2，且挂绳1-2挂设在哑铃形气浮滑轮1-1上，挂绳1-2的一端与配重框2的下部固定连接，挂绳1-2的另一端与随动框3的下部固定连接；

每个哑铃形气浮滑轮机构1中的哑铃形气浮滑轮1-1通过气浮润滑的方式实现转动；

N个哑铃形气浮滑轮1-1沿周向均匀布设在支撑基座4的顶端面上；

气足5固定在支撑基座4的底端面上；

配重框2和随动框3共轴，且配重框2套在随动框3外侧，二者间存在间隙；

配重框2和随动框3均可相对于支撑基座4的顶端面上、下移动，且配重框2和随动框3的运动方向相反。

本优选实施方式中，通过设计将气浮球转化为承载能力高的气浮滑轮，并采用气体润滑与配重平衡的方式，实现了对目标载荷的竖直方向零重力模拟；哑铃形气浮滑轮1-1的运动使得配重框2和随动框3运动方向相反；

哑铃形气浮滑轮机构1通过气浮润滑的方式实现近似无摩擦转动，通过调节配重框2的重量实现哑铃形气浮滑轮1-1两端的配重框2与随动框3和加载荷6间达到平衡，进而实现随动框3的重力补偿。配重框2和随动框3在挂绳1-2的限制下可以上下移动，配重框2和随动框3的运动方向相反；

配重框2、随动框3分别固定在挂绳1-2两端，配重框2的重量与随动框3加载荷6的重量之和相等，即挂绳1-2两端的力相等，哑铃形气浮滑轮1-1受到的力矩和为零，达到平衡状态，这样就可以通过哑铃形气浮滑轮1-1和配重框2的配合将随动框3及载荷6的重力完全卸载；当哑铃形气浮滑轮1-1达到平衡状态时，随动框3上的载荷6受到外力后，平衡状态被破坏，随后配重框2和随动框3在哑铃形气浮滑轮1-1和挂绳1-2的约束下上、下运动，随动框3和载荷6在运动过程中依然处于重力完全补偿状态。

具体应用时，N的最优取值为3。

当更换不同的载荷6时，只需调整配重框2的配重重量，即可重新实现对应的重力补偿，所以整个重力补偿装置具有一定范围的适应能力，其适应能力取决于哑铃形气浮滑轮机构1，承载能力强。

更进一步的，具体参见图2，每个哑铃形气浮滑轮1-1包括两个气浮球1-1-1、连接轴1-1-2和两个气浮球窝1-1-3，

两个气浮球1-1-1固定在连接轴1-1-2的两端，两个气浮球窝1-1-3均固定在支撑基座4的顶端面上，且两个气浮球窝1-1-3分别与两个气浮球1-1-1气浮连接。

更进一步的，具体参见图2，气浮球窝1-1-3采用多孔制材料制成。

本优选实施方式中，气浮球窝1-1-3采用多孔制材料制成，简化了对气气浮球窝1-1-3进气孔的加工，使用时向气浮球窝1-1-3通入高压气体，形成高刚度的气膜，气浮球1-1-1在所对应的气浮球窝1-1-3内可以进行近似无摩擦的转动。

更进一步的，具体参见图1，配重框2和随动框3分别位于哑铃形气浮滑轮1-1的两侧。

本优选实施方式中，配重框2、随动框3分别固定在挂绳1-2两端，配重框和随动框加载荷的重量相等，这样就可以通过哑铃形气浮滑轮1-1和配重框2的配合将随动框及载荷的重力完全卸载。

更进一步的，具体参见图1，配重框2的重力等于随动框3和载荷6的重力之和。

更进一步的，具体参见图1，配重框2包括1号上框体2-1、1号下框体2-2和1号气浮导向装置2-3；

1号气浮导向装置2-3包括1号气浮导杆和1号气浮轴承，1号气浮轴承套设在1号气浮导杆上，且二者气浮连接，1号气浮轴承可相对于1号气浮导杆上、下移动；

1号气浮导向装置2-3贯穿支撑基座4的顶端面，1号气浮导杆的两端固定在1号上框体2-1与1号下框体2-2之间，且支撑基座4的顶端面位于1号上框体2-1和1号下框体2-2之间；

1号气浮轴承的外壁固定在支撑基座4的顶端面上；

挂绳1-2的一端与配重框2的1号下框体2-2固定连接。

本优选实施方式中，提供了配重框2的一种具体结构，1号气浮导杆和1号气浮轴承构成1号气浮导向装置2-3，其能够提供了一定的径向支撑，为配重框2和随动框3提供导向，由于1号气浮轴承通有高压气体，与1号气浮导杆之间有一层高刚度的气膜，形成气体润滑，所以1号气浮导向装置2-3可以实现近似于无摩擦的导向，减少对重力补偿装置的干扰，也即，配重框2的运动减少了对重力补偿装置的干扰。

更进一步的，具体参见图1，随动框3包括2号上框体3-1、2号下框体3-2和2号气浮导向装置3-3；

2号气浮导向装置3-3包括2号气浮导杆和2号气浮轴承，2号气浮轴承套设在2号气浮导杆上，且二者气浮连接，2号气浮轴承可相对于2号气浮导杆上、下移动；

2号气浮导向装置3-3贯穿支撑基座4的顶端面，2号气浮导杆的两端固定在2号上框体3-1与2号下框体3-2之间，且支撑基座4的顶端面位于2号上框体3-1和2号下框体3-2之间；

2号气浮轴承的外壁固定在支撑基座4的顶端面上；

挂绳1-2的另一端与随动框3的2号下框体3-2固定连接。

本优选实施方式中，提供了随动框3的具体结构，2号气浮导杆和2号气浮轴承构成2号气浮导向装置3-3，其能够提供了一定的径向支撑，为配重框2和随动框3提供导向，由于2号气浮轴承通有高压气体，与2号气浮导杆之间有一层高刚度的气膜，形成气体润滑，所以2号气浮导向装置3-3可以实现近似于无摩擦的导向，减少对重力补偿装置的干扰，也即，随动框3的运动减少了对重力补偿装置的干扰。

更进一步的，具体参见图1，支撑基座4与配重框2和随动框3共轴；

支撑基座4包括顶端面、底端面和支撑杆；

支撑杆固定在顶端面和底端面之间；

支撑基座4的顶端面为环形结构；

支撑基座4的底端面为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔。

本优选实施方式中，提供了对支撑基座4的具体结构，其顶端面和底端面的具体结构，简化了重力补偿装置整体的重量，使得重力补偿装置整体结构简单，结构紧凑。

更进一步的，具体参见图1，1号上框体2-1和1号下框体2-2为圆环形结构，且1号上框体2-1和1号下框体2-2的内径相同。

更进一步的，具体参见图1，2号上框体3-1为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔；

2号下框体3-2为圆环形结构，且2号上框体3-1的直径和2号下框体3-2的外径相同。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，包括N个哑铃形气浮滑轮机构(1)、配重框(2)、随动框(3)、支撑基座(4)、气足(5)；N为大于或等于2的整数；

随动框(3)上部用于固定载荷(6)；

每个哑铃形气浮滑轮机构(1)包括哑铃形气浮滑轮(1-1)和挂绳(1-2)，且挂绳(1-2)挂设在哑铃形气浮滑轮(1-1)上，挂绳(1-2)的一端与配重框(2)的下部固定连接，挂绳(1-2)的另一端与随动框(3)的下部固定连接；

每个哑铃形气浮滑轮机构(1)中的哑铃形气浮滑轮(1-1)通过气浮润滑的方式实现转动；

N个哑铃形气浮滑轮(1-1)沿周向均匀布设在支撑基座(4)的顶端面上；

气足(5)固定在支撑基座(4)的底端面上；

配重框(2)和随动框(3)共轴，且配重框(2)套在随动框(3)外侧，二者间存在间隙；

配重框(2)和随动框(3)均可相对于支撑基座(4)的顶端面上、下移动，且配重框(2)和随动框(3)的运动方向相反；

每个哑铃形气浮滑轮(1-1)包括两个气浮球(1-1-1)、连接轴(1-1-2)和两个气浮球窝(1-1-3)，

两个气浮球(1-1-1)固定在连接轴(1-1-2)的两端，两个气浮球窝(1-1-3)均固定在支撑基座(4)的顶端面上，且两个气浮球窝(1-1-3)分别与两个气浮球(1-1-1)气浮连接。

2.根据权利要求1所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，气浮球窝(1-1-3)采用多孔制材料制成。

3.根据权利要求1所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，配重框(2)和随动框(3)分别位于哑铃形气浮滑轮(1-1)的两侧。

4.根据权利要求1所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，配重框(2)的重力等于随动框(3)和载荷(6)的重力之和。

5.根据权利要求1所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，配重框(2)包括1号上框体(2-1)、1号下框体(2-2)和1号气浮导向装置(2-3)；

1号气浮导向装置(2-3)包括1号气浮导杆和1号气浮轴承，1号气浮轴承套设在1号气浮导杆上，且二者气浮连接，1号气浮轴承可相对于1号气浮导杆上、下移动；

1号气浮导向装置(2-3)贯穿支撑基座(4)的顶端面，1号气浮导杆的两端固定在1号上框体(2-1)与1号下框体(2-2)之间，且支撑基座(4)的顶端面位于1号上框体(2-1)和1号下框体(2-2)之间；

1号气浮轴承的外壁固定在支撑基座(4)的顶端面上；

挂绳(1-2)的一端与配重框(2)的1号下框体(2-2)固定连接。

6.根据权利要求1所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，随动框(3)包括2号上框体(3-1)、2号下框体(3-2)和2号气浮导向装置(3-3)；

2号气浮导向装置(3-3)包括2号气浮导杆和2号气浮轴承，2号气浮轴承套设在2号气浮导杆上，且二者气浮连接，2号气浮轴承可相对于2号气浮导杆上、下移动；

2号气浮导向装置(3-3)贯穿支撑基座(4)的顶端面，2号气浮导杆的两端固定在2号上框体(3-1)与2号下框体(3-2)之间，且支撑基座(4)的顶端面位于2号上框体(3-1)和2号下框体(3-2)之间；

2号气浮轴承的外壁固定在支撑基座(4)的顶端面上；

挂绳(1-2)的另一端与随动框(3)的2号下框体(3-2)固定连接。

7.根据权利要求1所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，支撑基座(4)与配重框(2)和随动框(3)共轴；

支撑基座(4)包括顶端面、底端面和支撑杆；

支撑杆固定在顶端面和底端面之间；

支撑基座(4)的顶端面为环形结构；

支撑基座(4)的底端面为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔。

8.根据权利要求5所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，1号上框体(2-1)和1号下框体(2-2)为圆环形结构，且1号上框体(2-1)和1号下框体(2-2)的内径相同。

9.根据权利要求6所述的哑铃形气浮滑轮纵向重力补偿装置，其特征在于，2号上框体(3-1)为横向截面为圆形的平板型结构，且该平板型结构上设有镂空的通孔；

2号下框体(3-2)为圆环形结构，且2号上框体(3-1)的直径和2号下框体(3-2)的外径相同。

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