CN113525733B - 双层结构的六自由度微重力试验系统 - Google Patents

Abstract

一种双层结构的六自由度微重力试验系统,解决了现有航天器地面试验中运动自由度不全面的问题，属于航天器地面试验领域。本发明采用双层结构，上层结构为完整的五自由度模拟器，下层结构为位移支撑平台，下层结构与上层结构之间为气浮平板，通过麦克纳姆轮主动驱动可实现对上层五自由度模拟器的位置跟踪，并且下层结构还具备竖向零重力补偿功能。通过以上的结构实现了航天器地面试验系统的六自由度微重力模拟，同时又通过下层结构的主动跟踪功能减少了附加质量。本发明适用于航天器六自由度地面零重力模拟试验，可满足高精度的动力学与运动学模拟试验要求。

Description

双层结构的六自由度微重力试验系统

技术领域

本发明涉及一种双层结构的六自由度微重力试验系统，属于航天器地面试验领域。

背景技术

航天器在发射前需进行充分的地面试验。高精度分布式航天器需分析姿态轨道控制耦合特性，在轨抓捕、在轨对接等复杂的航天任务在地面试验当中需要对机构的受力情况进行评估，以图在轨时实现更好的运行效果。这些复杂的航天任务对地面试验提出了很高的要求，高保真的地面试验才能尽可能在地面将天上可能发生的问题分析清楚，提高在轨运行的可靠性。航天器在轨运行在微重力环境下，不受外部约束，为自由边界条件，具有6个频率为零的刚体模态；而地面测试时，必须采用一定的约束来平衡重力场的作用，且各约束需达到很高的精度。

国内外多采用三自由度或五自由度的气浮模拟试验系统，仅能部分完成对轨道或姿态运动的模拟，无法全面的揭示航天器在轨运行的状态。目前对于竖直方向的平动运动模拟或对竖直方向的零重力状态模拟还没有很有效的方法，已有的探索方法如恒力气缸法、恒力弹簧、悬吊法等模拟精度不高，且有局限性，故没有广泛的应用。并且，一些恒力气缸、恒力弹簧等方法是在五自由度模拟器基础之上增加了竖直方向的第六自由度，这样一来，竖向零重力补偿装置会增加地面试验模拟系统的附加质量，无法更加真实的模拟飞行器的质量特性。

发明内容

针对现有航天器地面试验中运动自由度不全面的问题，本发明提供一种双层结构的六自由度微重力试验系统。

本发明的一种双层结构的六自由度微重力试验系统，包括上层五自由度位姿模拟平台和下层零重力位置跟踪平台；

下层零重力位置跟踪平台包括哑铃形气浮滑轮201、下层气浮球窝202、绳203、配重框204、随动气浮平板205、随动框下板206、圆柱气浮轴承207、下层支撑基座209、下层气足210和麦克纳姆轮211；

每个哑铃形气浮滑轮201的底部设置有两个下层气浮球窝202，该下层气浮球窝202固定在下层支撑基座209上，对每个下层气浮球窝202通气后，与上方对应的滑轮之间形成气膜；

随动气浮平板205与随动框下板206之间通过气浮导向杆208固定连接，组成随动框；

配重框204上也设置有气浮导向杆208，随动框的气浮导向杆208和配重框204上的气浮导向杆208均穿过下层支撑基座209，且在每个气浮导向杆208与下层支撑基座209之间设置有圆柱气浮轴承207，气浮导向杆208和对应的圆柱气浮轴承207组成气浮导向，圆柱气浮轴承207通有气体后，气浮导向杆208与圆柱气浮轴承207之间形成气膜；

随动框、配重框204和下层支撑基座209的中心在同一条线上；

每个哑铃形气浮滑轮201上挂有绳203，绳203的一端固定连接配重框204，另一端固定连接随动框，上层五自由度位姿模拟平台底部设有上层气足，该上层气足位于随动气浮平板205上方，出气口朝向随动气浮平板205，通气后形成气膜，配重框204的重量与随动框及以上部分的重量相等；

下层气足210设置在下层支撑基座209的底部，出气口朝下，与大理石平台之间形成气膜；

麦克纳姆轮211设置在下层支撑基座209的底部，麦克纳姆轮211与大理石平台接触，通过驱动麦克纳姆轮211使上层五自由度位姿模拟平台1始终在随动气浮平板205的中心位置。

作为优选，麦克纳姆轮211与下层支撑基座209的底部之间通过弹簧连接。

作为优选，所述系统还包括3个称重传感器114，3个称重传感器114分别安装在一个上层气足113与下层支撑基座209底部之间，实时检测上层五自由度位姿模拟平台的受力。

作为优选，所述上层五自由度位姿模拟平台包括气浮球101、上层气浮球窝102、上层支撑架和三个上层气足113；

上层气浮球窝102安装在上层支撑架的中心位置处,气浮球101设置在上层气浮球窝102上,气浮球101和上层气浮球窝102之间通有气体,形成气膜；

三个上层气足113分布固定在上层支撑架的底部，出气口朝向随动气浮平板205，上层气足113通有气体后，在上层气足113与随动气浮平板205之间形成气膜。

作为优选，上层五自由度位姿模拟平台还包括喷气模块103、上层气瓶104和下层气瓶112；

所述喷气模块103、上层气瓶104和下层气瓶112均固定在上层支撑架上，上层气瓶104为喷气模块103和上层气浮球窝102供气，在上层气浮球窝102和对应气浮球101之间形成气模，喷气模块103用于提供推力；

下层气瓶112通过管路向上层气足113供气，气足113通气后，在上层气足113与随动气浮平板205之间形成气膜；上层气瓶104和下层气瓶112位于上层支撑架的上下两层，两层之间采用支撑立柱111进行连接。

作为优选，所述上层五自由度位姿模拟平台还包括调平模组106，所述调平模组106设置在上层支撑架上，所述调平模组106包括电机驱动直线模组和质量块，通过电机驱动直线模组调整质量块的位置进行实现对上层五自由度位姿模拟平台质心的调整。

作为优选，所述上层五自由度位姿模拟平台还包括质量流量计105，质量流量计105设置在上层气瓶104和下层气瓶112的总供气管路中，测量喷气过程的消耗的气体质量，并发送给下层零重力位置跟踪平台；

所述下层支撑基座209包括支撑上板、支撑下板和支撑杆，支撑上板和支撑下板之间通过支撑杆固定连接，支撑上板的中部设有通孔；

所述下层零重力位置跟踪平台还包括直线电机212，直线电机212设置在支撑下板上，所述直线电机212的动子穿过支撑上板的通孔与随动框下板206的底部固定连接，根据质量流量计105测量的气体质量控制直线电机211的动子带动随动框运动，实现对消耗气体的重力补偿。

作为优选，所述配重框204包括配重上板和配重下板；

配重上板和配重下板均为环状；配重上板和配重下板之间通过多个气浮导向杆207连接；

所述随动框下板206为环状；配重上板及配重下板的内径大于随动下板的外径，随动框设置在配重框204的环内。

作为优选，所述绳203的一端从下层支撑基座209穿过与配重框204的配重下板连接；

所述绳203的另一端从下层支撑基座209穿过与随动框的随动下板连接。

作为优选，所述上层气浮球窝102和下层气浮球窝202均采用多孔制材料制成。

本发明的有益效果，本发明采用双层结构，上层结构为完整的五自由度模拟器，下层结构为位移支撑平台，下层结构与上层结构之间为气浮平板，通过麦克纳姆轮主动驱动可实现对上层五自由度模拟器的位置跟踪，并且下层结构还具备竖向零重力补偿功能。通过以上的结构实现了航天器地面试验系统的六自由度微重力模拟，同时又通过下层结构的主动跟踪功能减少了附加质量。本发明适用于航天器六自由度地面零重力模拟试验，可满足高精度的动力学与运动学模拟试验要求。

附图说明

图1是本发明所提供的双层结构的六自由度微重力试验系统组成示意图。

图2是图1中上层五自由度位姿模拟平台1的结构示意图；

图3是图2的另一个视角；

图4是图1中下层零重力位置跟踪平台2的结构示意图；

图5是本发明中哑铃形气浮滑轮的安装结构示意图；

图6是本发明中的随动框的结构示意图；

图7是本发明中的配重框的结构示意图。

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。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1-7所示，本实施方式的一种双层结构的六自由度微重力试验系统，包括上层五自由度位姿模拟平台1和下层零重力位置跟踪平台2；

本实施方式采用采用双层结构，上层五自由度位姿模拟平台1为完整的五自由度模拟器，下层零重力位置跟踪平台2为上层五自由度位姿模拟平台1的位移支撑平台，既要对上层五自由度位姿模拟平台1的水平位置运动跟踪，又要实现竖向零重力补偿功能。本实施方式的下层零重力位置跟踪平台2包括哑铃形气浮滑轮201、下层气浮球窝202、绳203、配重框204、随动气浮平板205、随动框下板206、圆柱气浮轴承207、下层支撑基座209、下层气足210和麦克纳姆轮211；

每个哑铃形气浮滑轮201的底部设置有两个下层气浮球窝202，该下层气浮球窝202固定在下层支撑基座209上，对每个下层气浮球窝202通气后，与上方对应的滑轮之间形成气膜；

随动气浮平板205与随动框下板206之间通过气浮导向杆208固定连接，组成随动框；

配重框204上也设置有气浮导向杆208，随动框的气浮导向杆208和配重框204上的气浮导向杆208均穿过下层支撑基座209，且在每个气浮导向杆208与下层支撑基座209之间设置有圆柱气浮轴承207，气浮导向杆208和对应的圆柱气浮轴承207组成气浮导向，圆柱气浮轴承207通有气体后，气浮导向杆208与圆柱气浮轴承207之间形成气膜，实现近似于无摩擦的运动，完成导向的功能同时又尽可能减少对重力补偿的干扰；

随动框、配重框204和下层支撑基座209的中心在同一条线上；

每个哑铃形气浮滑轮201上挂有绳203，绳203的一端固定连接配重框204，另一端固定连接随动框，上层五自由度位姿模拟平台1底部设有上层气足，该上层气足位于随动气浮平板205上方，出气口朝向随动气浮平板205，通气后形成气膜；配重框204的重量与随动框及以上部分的重量相等，这样就可以实现对目标载荷的重力补偿；

本实施方式通过气浮滑轮与配重平衡的方式实现竖直方向的零重力模拟；

下层气足210设置在下层支撑基座209的底部，出气口朝下，与大理石平台之间形成气膜；

下层零重力位置跟踪平台2中的圆柱气浮轴承207、下层气浮球窝202、下层气足210供气均从地面接气路软管供气；

麦克纳姆轮211设置在下层支撑基座209的底部，麦克纳姆轮211与大理石平台接触，通过驱动麦克纳姆轮211使上层五自由度位姿模拟平台11始终在随动气浮平板205的中心位置，通过随动气浮平板205与麦克纳姆轮211主动驱动实现对上层五自由度位姿模拟平台1的主动位置跟随，当上层五自由度位姿模拟平台1在喷气作用力在随动气浮平板205做水平面内平移运动，此时外部的视觉位姿测量可以测量到上层五自由度位姿模拟平台1在随动气浮平板205上的位置偏差，麦克纳姆轮211驱动下层零重力位置跟踪平台2使偏差减小，即始终保持上层五自由度位姿模拟平台1在随动气浮平板205的中间位置，这样下层零重力位置跟踪平台2的质量不参与上层五自由度位姿模拟平台1的水平二维平移运动，模拟附加质量小；

本实施方式的下层结构与上层结构之间为气浮平板，上层结构在气浮平板上无摩擦运动，麦克纳姆轮主动驱动可实现对上层五自由度模拟器的位置跟踪，使上层五自由度模拟器始终在气浮平板中心的位置，并且下层结构还具备竖向零重力补偿功能。通过以上的结构实现了航天器地面试验系统的六自由度微重力模拟，同时又通过下层平台的主动跟踪功能减少了附加质量。在试验过程中喷气消耗的气体会导致上层姿态模拟平台的质量变化，也就是重力补偿机构的补偿目标出现了改变，针对这一问题，试验系统采用质量流量计测量消耗气体质量，直线电机输出对应力补偿的方式。该系统能够提高航天器地面仿真模拟精度，可应用于高精度分布式航天器、在轨抓捕、在轨对接等复杂航天任务的地面模拟试验。

优选实施例中，下层气足210支撑整个系统绝大部分的重量，由于其与地面上的大理石平台之间有一层高刚度气膜，近似于无摩擦，所以麦克纳姆轮211与大理石平台有些许的摩擦即可驱动整个系统运动，为保持运动的平顺且控制麦克纳姆轮211的受力，麦克纳姆轮211与下层支撑基座209的底部之间通过弹簧连接。弹簧使麦克纳姆轮始终与地面接触，整个结构的主要重量支撑在气足上，麦克纳姆轮与地面有摩擦，能够驱动下层平台移动。

优选实施例中，本实施方式的系统还包括3个称重传感器114，3个称重传感器114分别安装在一个上层气足113与下层支撑基座209底部之间，实时检测上层五自由度位姿模拟平台1的受力。

优选实施例中，本实施方式的上层五自由度位姿模拟平台1包括气浮球101、上层气浮球窝102、上层支撑架110和三个上层气足113；

上层气浮球窝102安装在上层支撑架110的中心位置处,气浮球101设置在上层气浮球窝102上,气浮球101和上层气浮球窝102之间通有气体,形成气膜；

三个上层气足113分布固定在上层支撑架110的底部，出气口朝向随动气浮平板205，上层气足113通有气体后，在上层气足113与随动气浮平板205之间形成气膜。

本实施方式的上层气浮球窝102为多孔制材料，通有一定压力的气体，与101气浮球之间有高刚度的气膜，该结构可使上层五自由度位姿模拟平台1实现绕三轴近似于无摩擦的转动；

本实施方式的3个上层气足113支撑整个上层五自由度位姿模拟平台1，上层气足113通有氮气，与随动气浮平板205之间有一层高刚度的气膜，为上层五自由度位姿模拟平台11提供一定范围的水平面内平动的运动自由度；

优选实施例中，上层五自由度位姿模拟平台1还包括喷气模块103、上层气瓶104和下层气瓶112；

喷气模块103、上层气瓶104和下层气瓶112均固定在上层支撑架上，上层气瓶104为喷气模块103和上层气浮球窝102供气，在上层气浮球窝102和对应气浮球101之间形成气模，喷气模块103用于提供推力；

下层气瓶112通过管路向上层气足113供气，气足113通气后，在上层气足113与随动气浮平板205之间形成气膜；

上层气瓶104和下层气瓶112位于上层支撑架110的上下两层，两层之间采用支撑立柱111进行连接。

本实施方式的喷气模块103由喷嘴、电磁阀和安装座组成，是整个系统的控制执行单元，通过喷出一定压力的氮气产生喷气反作用力，由上层气瓶104中的高压氮气减压后供气；

优选实施例中，本实施方式的上层五自由度位姿模拟平台1还包括调平模组106，所述调平模组106设置在上层支撑架110上，所述调平模组106包括电机驱动直线模组和质量块，通过电机驱动直线模组调整质量块的位置进行实现对上层五自由度位姿模拟平台1质心的调整，最终将质心调整到转动中心的位置。

如图3所述，本实施方式中包括两个调平模组106，可根据实际情况确定数量及位置。

优选实施例中，本实施方式的上层五自由度位姿模拟平台1还包括质量流量计105，质量流量计105设置在上层气瓶104和下层气瓶112的总供气管路中，测量喷气过程的消耗的气体质量，并发送给下层零重力位置跟踪平台2；

所述下层支撑基座209包括支撑上板、支撑下板和支撑杆，支撑上板和支撑下板之间通过支撑杆固定连接，支撑上板的中部设有通孔；

所述下层零重力位置跟踪平台2还包括直线电机212和直线电机电池213，直线电机212和直线电机电池213设置在支撑下板上，所述直线电机212的动子穿过支撑上板的通孔与随动框下板206的底部固定连接，根据质量流量计105测量的气体质量控制直线电机211的动子带动随动框运动，实现对消耗气体的重力补偿。直线电机电池213为直线电机212供电；

质量流量计105安装在两个气瓶减压后的总供气管路当中，可以实时测量出流过管路的气体质量流量，并做累积，即可得到在喷气过程中消耗的氮气质量M₁，本实施方式还包括台上计算机107，台上计算机107采集后传递给下层零重力位置跟踪平台2以做重力补偿使用；直线电机212根据质量流量计105测量的M₁输出力以实时补偿喷气消耗的氮气质量，保持零重力状态。

如图7所示，本实施方式的配重框204包括配重上板和配重下板；

配重上板和配重下板均为环状；配重上板和配重下板之间通过多个气浮导向杆207连接；

如图6所示，本实施方式的随动框下板206为环状；配重上板及配重下板的内径大于随动下板的外径，随动框设置在配重框204的环内。

本实施方式的绳203的一端从下层支撑基座209穿过与配重框204的配重下板连接，绳203的另一端从下层支撑基座209穿过与随动框的随动下板连接。

本实施方式的上层气浮球窝102和下层气浮球窝202均采用多孔制材料制成，通有一定压力的气体，与上方形成高刚度的气膜。

本实施方式还包括电池108、电源109，台上计算机107、电池108、电源109设置在上层支撑架110上，可实现供电、数据计算、数据传输、控制指令发出等电气化功能，可根据不同任务需求安装不同的电气元件；

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 (10)

1.一种双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，包括上层五自由度位姿模拟平台和下层零重力位置跟踪平台；

下层零重力位置跟踪平台包括哑铃形气浮滑轮(201)、下层气浮球窝(202)、绳(203)、配重框(204)、随动气浮平板(205)、随动框下板(206)、圆柱气浮轴承(207)、下层支撑基座(209)、下层气足(210)和麦克纳姆轮(211)；

每个哑铃形气浮滑轮(201)的底部设置有两个下层气浮球窝(202)，该下层气浮球窝(202)固定在下层支撑基座(209)上，对每个下层气浮球窝(202)通气后，与上方对应的滑轮之间形成气膜；

随动气浮平板(205)与随动框下板(206)之间通过气浮导向杆(208)固定连接，组成随动框；

配重框(204)上也设置有气浮导向杆(208)，随动框的气浮导向杆(208)和配重框(204)上的气浮导向杆(208)均穿过下层支撑基座(209)，且在每个气浮导向杆(208)与下层支撑基座(209)之间设置有圆柱气浮轴承(207)，气浮导向杆(208)和对应的圆柱气浮轴承(207)组成气浮导向，圆柱气浮轴承(207)通有气体后，气浮导向杆(208)与圆柱气浮轴承(207)之间形成气膜；

随动框、配重框(204)和下层支撑基座(209)的中心在同一条线上；

每个哑铃形气浮滑轮(201)上挂有绳(203)，绳(203)的一端固定连接配重框(204)，另一端固定连接随动框，上层五自由度位姿模拟平台底部设有上层气足，该上层气足位于随动气浮平板(205)上方，出气口朝向随动气浮平板(205)，通气后形成气膜，配重框(204)的重量与随动框及以上部分的重量相等；

下层气足(210)设置在下层支撑基座(209)的底部，出气口朝下，与大理石平台之间形成气膜；

麦克纳姆轮(211)设置在下层支撑基座(209)的底部，麦克纳姆轮(211)与大理石平台接触，通过驱动麦克纳姆轮(211)使上层五自由度位姿模拟平台始终在随动气浮平板(205)的中心位置。

2.根据权利要求1所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，麦克纳姆轮(211)与下层支撑基座(209)的底部之间通过弹簧连接。

3.根据权利要求1所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，所述系统还包括3个称重传感器(114)，3个称重传感器(114)分别安装在一个上层气足(113)与下层支撑基座(209)底部之间，实时检测上层五自由度位姿模拟平台的受力。

4.根据权利要求1所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，所述上层五自由度位姿模拟平台包括气浮球(101)、上层气浮球窝(102)、上层支撑架和三个上层气足(113)；

上层气浮球窝(102)安装在上层支撑架的中心位置处, 气浮球(101)设置在上层气浮球窝(102)上, 气浮球(101)和上层气浮球窝(102)之间通有气体,形成气膜；

三个上层气足(113)分布固定在上层支撑架的底部，出气口朝向随动气浮平板(205)，上层气足(113)通有气体后，在上层气足(113)与随动气浮平板(205)之间形成气膜。

5.根据权利要求4所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，上层五自由度位姿模拟平台还包括喷气模块(103)、上层气瓶(104)和下层气瓶(112)；

所述喷气模块(103)、上层气瓶(104)和下层气瓶(112)均固定在上层支撑架上，上层气瓶(104)为喷气模块(103)和上层气浮球窝(102)供气，在上层气浮球窝(102)和对应气浮球(101)之间形成气模，喷气模块(103)用于提供推力；

下层气瓶(112)通过管路向上层气足(113)供气，气足(113)通气后，在上层气足(113)与随动气浮平板(205)之间形成气膜；

上层气瓶(104)和下层气瓶(112)位于上层支撑架的上下两层，两层之间采用支撑立柱(111)进行连接。

6.根据权利要求5所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，所述上层五自由度位姿模拟平台还包括调平模组(106)，所述调平模组(106)设置在上层支撑架上，所述调平模组(106)包括电机驱动直线模组和质量块，通过电机驱动直线模组调整质量块的位置进行实现对上层五自由度位姿模拟平台质心的调整。

7.根据权利要求5所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，所述上层五自由度位姿模拟平台还包括质量流量计(105)，质量流量计(105)设置在上层气瓶(104)和下层气瓶(112)的总供气管路中，测量喷气过程的消耗的气体质量，并发送给下层零重力位置跟踪平台；

所述下层支撑基座(209)包括支撑上板、支撑下板和支撑杆， 支撑上板和支撑下板之间通过支撑杆固定连接，支撑上板的中部设有通孔；

所述下层零重力位置跟踪平台还包括直线电机(212)，直线电机(212)设置在支撑下板上，所述直线电机(212)的动子穿过支撑上板的通孔与随动框下板(206)的底部固定连接，根据质量流量计(105)测量的气体质量控制直线电机211的动子带动随动框运动，实现对消耗气体的重力补偿。

8.根据权利要求1所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，

所述配重框(204)包括配重上板和配重下板；

配重上板和配重下板均为环状；配重上板和配重下板之间通过多个气浮导向杆207连接；

所述随动框下板(206)为环状；配重上板及配重下板的内径大于随动下板的外径，随动框设置在配重框(204)的环内。

9.根据权利要求8所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，所述绳(203)的一端从下层支撑基座(209)穿过与配重框(204)的配重下板连接；

所述绳(203)的另一端从下层支撑基座(209)穿过与随动框的随动下板连接。

10.根据权利要求4所述的双层结构的六自由度微重力试验系统，其特征在于，所述上层气浮球窝(102)和下层气浮球窝(202)均采用多孔制材料制成。

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