CN113942667A - 一种微低重力环境模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微低重力环境模拟方法及装置，属于微低重力模拟领域，其采用微低重力环境模拟装置实现，模拟装置包括被动支承单元和直线式动作器。模拟时，在地表重力环境中将待模拟的负载设备放置在顶板上，调整直线式作动器的发力大小为负载设备在目标微低重力环境下的重力，使被动支承单元承担负载设备的剩余重力；调节被动支承单元使被动支承单元的刚度为零；调节待模拟的负载设备的初始速度；解锁运动跟随组件，改变直线式作动器的出力状态、同时改变运动跟随组件以改变底板的运动状态，使得待模拟的负载设备具有目标微低重力环境下的加速度。本发明的模拟方法提高了模拟试验的精度。
Description
技术领域
本发明属于航天工程微低重力模拟试验方法领域，更具体地，涉及一种微低重力环境模拟方法及装置。
背景技术
航天器设计研发成本和在轨执行任务的风险较高，为了确保航天器的运行可靠性和安全性，发射升空前必须在地面进行航天器件的性能验证，因此需要模拟高保真的微低重力环境。
查阅文献发现常用的微低重力环境模拟方法按原理分为：运动法模拟微重力和力平衡法模拟微重力，运动法模拟微重力包括落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等方式，力平衡法模拟微重力包括气浮法、水浮法、悬吊法、静平衡机构法、电磁平衡法等。
其中静平衡法的装置结构精巧，易于实现，可实现多自由度微重力模拟，附加惯性效应小，缺点是微重力模拟精度易受弹簧刚度等因素影响。
此外现有静平衡法微低重力环境模拟装置主要是采用恒力气缸进行重力的卸载，达到微低重力环境模拟，但是由于气体强可压缩性带来的非线性控制和时滞问题，严重影响微低重力环境模拟的精度和响应速度，无法满足航天器的微低重力环境模拟需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种微低重力环境模拟方法及装置，旨在解决现有微低重力环境模拟方法及装置精度低和反应速度慢的问题。
为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供一种微低重力环境模拟方法，采用微低重力环境模拟装置实现，所述微低重力环境模拟装置包括近零刚度支承组件和运动跟随组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，近零刚度支承组件包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线式作动器，被动支承单元和直线式作动器相并联，运动跟随组件与底板相连，
微低重力环境模拟方法包括下述步骤：
S1：锁定运动跟随组件，在地表重力环境中将待模拟的负载设备固定放置于顶板上方，调整直线式作动器的发力大小为待模拟负载设备在目标微低重力环境下的重力，使被动支承单元承担待模拟的负载设备的剩余重力；
S2：调节被动支承单元，直至被动支承单元的刚度近零；
S3：调节待模拟的负载设备的初始速度为v0；
S4：解锁运动跟随组件，改变直线式作动器的出力状态、同时改变运动跟随组件作用到底板的运动状态，从而实现调整待模拟的负载设备所受力合力大小，使得待模拟的负载设备具有目标微低重力环境下的加速度。
进一步的，S2中被动支承单元的刚度近零的获取方法为：调节被动支承单元或直线式作动器的高度，使支承组件高度为被动支承单元的行程中点。
进一步的，步骤S3中，待模拟的负载设备的初始速度v0为0时，直接从步骤S2进入步骤S4，步骤S3中调节过程无执行内容。
进一步的，步骤S3中，待模拟的负载设备的初始速度v0不为0时，调节的具体过程为：改变直线式作动器出力大小，使待模拟的负载设备加速运动，同时启动运动跟随组件以调整底板的活动状态，最大可能实现底板和顶板之间的相对距离不变，直到底板和顶板的运动速度与初始速度v0之间的误差小于允许值。
进一步的，步骤S4具体为，控制直线式作动器出力为零，控制底板和顶板同步运动，使顶板和底板相对高度变化量趋近于零，从而实现待模拟的负载设备所受支承力的波动趋近为零。
进一步的，步骤S4具体为，检测顶板和底板之间相对高度变化，根据该相对高度变化控制直线式作动器出力大小，使直线式作动器出力大小与被动支承单元支承力波动值大小相等，方向相反。
进一步的，步骤S4具体为，事先测定被动支承单元支承力随顶板和底板相对高度的变化曲线，并事先测定直线式作动器的推力常数随顶板-底板相对高度的变化曲线，基于底板和顶板相对高度变化，并依据直线式作动器的推力常数随顶板-底板相对高度的变化曲线确定直线式作动器的补偿力。
按照本发明的另一个方面，还提供一种实现如上所述的微低重力环境模拟方法的模拟装置，近零刚度支承组件还包括导向机构，被动支承单元包括正刚度元件和负刚度元件，运动跟随组件包括位移传感器、直线运动机构、驱动控制模块和底座，其中，正刚度元件和负刚度元件设置在顶板和底板之间，正刚度元件和负刚度元件相互并联共同组成被动支承单元，用于被动支承负载设备的重力，导向机构也设置在顶板和底板之间，并同时连接顶板和底板，所述导向机构用于在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板与所述底板之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉；所述位移传感器布置在顶板与底板之间，其上端与顶板连接，下端与底板连接，用于监测顶板和底板之间的高度变化；所述直线运动机构的连接于底板下方，使被动支承单元能够在负载设备重力方向上进行预设的移动；所述驱动控制模块分别与位移传感器和直线运动机构电连接，用于根据接收到的位移传感器的信号信息，驱动控制直线运动机构；所述底座顶面与直线运动机构的固定端连接，底面固定连接于外部基础上；以上装置工作时，所述驱动控制模块接收位移传感器的反馈信号，控制直线式作动器和直线运动机构运动，保证顶板和底板之间的相对位移相对恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，则顶板对负载设备的支承力波动近零，保持了负载设备的重力加速度为零且恒定，以实现负载设备垂向零重力的模拟。
进一步的，所述正刚度元件为金属螺旋弹簧、橡胶或空气弹簧；所述负刚度元件为磁负刚度机构、预压缩弹簧负刚度机构、压杆负刚度或凸轮-滚轮-弹簧负刚度机构；所述导向机构为气浮导轨；所述位移传感器为光栅尺位移传感器、激光位移传感器、电涡流传感器、霍尔传感器或LVDT位移传感器；所述直线运动机构为丝杠直线运动机构、气动直线运动机构、液压直线运动机构、齿轮-齿条直线运动机构、绞车提升机构、链传动机构、同步带传动机构或直线电机。
进一步的，所述直线式作动器为音圈电机、洛伦兹电机、直线电机或磁阻电机。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明的微低重力环境模拟方法采用微低重力环境模拟装置实现，微低重力环境模拟装置包括相互独立的近零刚度支承组件和运动跟随组件，近零刚度支承组件包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线式作动器，运动跟随组件与底板相连，采用以直线式作动器做为主施力方，采用运动跟随组件调节顶板和底板的相对距离，通过直线式作动器对试验时支承组件的高度变化造成的波动力进行抵消，能够准确设置目标微低重力环境下的重力，其调节过程控制灵活、可控性强，精确性高，提高了模拟试验的精度。本发明的微低重力环境模拟装置，以被动支承单元对负载设备进行支承，在实现微低重力环境模拟的同时，其响应速度快、几乎没有时延。被动支承单元利用正刚度元件支承负载设备，负刚度元件在平衡位置抵消正刚度元件的刚度，使得被动支承单元能够具有较大负载的同时，刚度呈现准零状态，也提高了模拟试验的精度。
附图说明
图1是本发明一种微低重力环境模拟方法的实现步骤流程图；
图2是本发明实施例中实现微低重力环境模拟方法的装置结构示意图。
附图中标记为：1-顶板，2-底板，3-正刚度元件，4-负刚度元件，5-直线式作动器，6-导向机构，7-高度调节机构，8-位移传感器，9-直线运动机构，10-驱动控制模块，11-底座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明一种微低重力环境模拟方法的实现步骤流程图，如图1所示，利用所述的微低环境模拟装置进行模拟的方法和流程如下：
S1：锁定运动跟随组件，在地表重力环境中将待模拟的负载设备固定放置于顶板上方，调整直线式作动器的发力大小为待模拟负载设备在目标微低重力环境下的重力，使被动支承单元承担待模拟的负载设备的剩余重力；
S2：调节被动支承单元与直线式作动器在重力方向上的相对高度，直至被动支承单元的刚度近零；S2中被动支承单元的刚度为零的获取方法为：调节被动支承单元或直线式作动器的高度，使支承组件高度为被动支承单元的行程中点。
S3：调节待模拟的负载设备的初始速度为v0；步骤S3中，待模拟的负载设备的初始速度v0为0时，直接从步骤S2进入步骤S4，步骤S3中调节过程无执行内容。步骤S3中，待模拟的负载设备的初始速度v0不为0时，调节的具体过程为：改变直线式作动器出力大小，使待模拟的负载设备加速运动，同时启动运动跟随组件以调整底板的活动状态，最大可能实现底板和顶板之间的相对距离不变，直到底板和顶板的运动速度与初始速度v0之间的误差小于允许值。
S4：解锁运动跟随组件，改变直线式作动器的出力状态、同时改变运动跟随组件作用到底板的运动状态，从而实现调整待模拟的负载设备所受力合力大小，使得待模拟的负载设备具有目标微低重力环境下的加速度。
步骤S4具体为，控制直线式作动器出力为零，控制底板和顶板同步运动，使顶板和底板相对高度变化量趋近于零，从而实现待模拟的负载设备所受支承力的波动趋近为零。
步骤S4具体为，检测顶板和底板之间相对高度变化，根据该相对高度变化控制直线式作动器出力大小，使直线式作动器出力大小与被动支承单元支承力波动值大小相等，方向相反。
步骤S4具体为，事先测定被动支承单元支承力随顶板和底板相对高度的变化曲线，并事先测定直线式作动器的推力常数随顶板-底板相对高度的变化曲线，基于底板和顶板相对高度变化，并依据直线式作动器的推力常数随顶板-底板相对高度的变化曲线确定直线式作动器的补偿力。
实际工程应用中，根据上述装置实现微低重力环境模拟的方法如下：
计负载设备和零重力环境模拟装置中与其固定连接的顶板1等结构总质量为m，地球表面重力加速度为g。假定须在地球表面模拟零重力环境，并假定模拟的初始条件是负载设备的初始速度为v0。
步骤一：锁定直线运动机构9，关闭直线式作动器5或控制其出力为零，使直线式作动器5施加于顶板1上的作用力大小为FE0＝-mg'，从而使被动支承单元施加于顶板1上的作用力大小为FK＝-m(g-g')，由此使待模拟的负载设备在重力场g下达到静平衡；通过高度调节机构7和直线式作动器5进行匹配调节，使静平衡状态下顶板1相对于底板2的高度尽量接近被动支承单元的行程中点(设计零点)，计该状态下顶板1相对于底板2的高度为h0；
步骤二：改变直线式作动器5的出力大小，使负载设备加速运动至零重力环境模拟的初始速度v0；在此加速过程中，同时启动直线运动机构9，使底板2保持与顶板1的运动轨迹及运动速度尽可能一致；当底板2和顶板1的运动速度均与设定初始速度v0之间的误差小于允许值时，重置顶板1相对于底板2的高度为h0。当要求初始速度v0＝0时，可省略步骤二。
步骤三：改变直线式作动器5的出力状态，以及直线运动机构的运动状态，使得在模拟时段内任意时刻t，直线式作动器5与被动支承单元施加于顶板1的合力尽可能满足FE(t)+FK(t)＝-m(g-g')，由此使模拟设备(含顶板1等刚性固定结构)所受重力和模拟装置支承力的合力尽可能接近F(t)＝mg'，也即处于地球表面的负载设备在地球引力和零重力环境模拟装置支承力作用下，其动力学行为与重力加速度为g'的重力环境中精准一致。
为达成步骤三所述的状态，一种可选方案是直线式作动器或控制其出力为零，并利用所述的位移传感器实时检测顶板和底板间的高度变化，将该检测信号传输至运动跟随组件中的直线运动机构驱动控制模块，由直线运动机构驱动控制模块生成直线运动机构的运动指令，按照合适的控制策略，控制运动平台跟随底板作同步运动，也即尽可能使设备框架相对于支承底座的相对高度变化量Δh(t)＝h(t)-h0趋近于零，则微低重力环境模拟装置的支承力(被动支承单元的支承力)波动为ΔF(t)＝ks·Δh(t)＝(kp+kn)·[h(t)-h0]。
为达成步骤三所述的状态，一种优选方案是，利用所述的位移传感器实时检测底板相对于顶板的高度变化，一方面将该检测信号传输至直线作动器的驱动控制模块，控制直线作动器按照如下规则出力：FE(t)＝-ΔF(t)＝-ks·Δh(t)＝-(kp+kn)·[h(t)-h0]，也即使直线作动器产生与被动支承单元支承力波动值大小相等、方向相反，从而使地球表面的负载设备在地球引力和微低重力环境模拟装置支承力作用下，其动力学行为与其处于重力加速度为g'的环境中精准一致。
为达成步骤三所述的状态，一种优选方案是，一方面事先精准测定近零刚度支承组件中被动支承单元的支承力随设备框架-支承底座相对高度的变化曲线(简称被动支承单元支承力非线性特性)，另一方面事先精准测定近零刚度支承组件中主动施力单元的推力常数随设备框架-支承底座相对高度的变化曲线(简称主动施力单元推力非线性特性)；然后在步骤三中基于实时检测的设备框架-支承底座相对高度变化量Δh(t)＝h(t)-h0，依据被动支承单元支承力非线性特性精准确定被动支承单元的实时支承力相对于理想支承力FK＝-m(g-g')的偏差，依据直线作动器推力非线性特性精准确定主动施力单元的补偿力控制指令，利用直线作动器产生精准的补偿力，与被动支承单元并联使支承力合力精准满足FE(t)+FK(t)＝-m(g-g')，从而精准模拟出重力加速度为g'的微低重力环境。
图2是本发明实施例中实现微低重力环境模拟方法的装置结构示意图，如图2所示，所述用于零重力环境模拟的支承装置包括：顶板1、底板2、正刚度元件3、负刚度元件4、导向机构6、位移传感器8、直线运动机构9、驱动控制模块10和底座11。
具体的，顶板1与底板2水平设置且相互平行，顶板1与底板2均为正方形金属承重板，所述顶板1用于固定待模拟的负载设备。正刚度元件3与负刚度元件4并联构成被动支承单元，被动支承单元两端分别与顶板1和顶板2固定连接，起支承待模拟的负载设备的作用，并在负载设备受到外力作用时迅速做出位移响应，被动支承单元的承载能力应大于待模拟的负载设备所受的重力，且其刚度应尽量小。正刚度元件3为金属螺旋弹簧，其特征是具有较大的承载能力和合理的低刚度特性，负刚度元件4为非接触、无摩擦的磁负刚度机构，用于在平衡位置抵消正刚度元件3的刚度，使得被动支承单元的刚度呈现准零状态。
计正刚度元件3的刚度值为kp(kp＞0)，负刚度元件4的刚度值为kn(kn＜0)，则二者相加的综合刚度值在其有效工作行程范围内须保证为正且尽可能小，即ks＝kp+kn＞0，其中综合刚度值满足0·001kp＜ks＝kp+kn＜0·1kp。
所述直线式作动器5与被动支承单元并联，置于顶板1与底板2之间，为非接触的音圈电机，所述直线式作动器5包括直线式作动器动子和直线式作动器定子，直线式作动器5分别与顶板1和底板2固定连接，连接有线缆的直线式作动器定子与底板2连接，尽可能减小系统运动过程中线缆对顶板1的扰动影响。
所述导向机构6设于所述顶板1和所述底板2之间，在运动方向上起导向作用，且以非接触、无摩擦的导向机构为佳，所述导向机构6采用气浮导轨，其作用是在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板1与所述底板2之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉。其中，导向机构6连接有供气管路的气浮导轨定子固定安装于底板2上，气浮导轨动子固定安装于顶板1上，以避免系统运动过程中管路对所述顶板1的扰动影响。
所述高度调节机构7一端固定与底板2上，另一端与正刚度元件3配合，用于调节正刚度元件3在支承组件中的安装高度，所述高度调节机构7数量为四个，对称分布于底板2四周。
高度调节机构7包括高度调节螺母和螺柱，所述高度调节螺母与所述螺柱的规格相同，所述高度调节螺母穿过所述螺柱并与正刚度元件3的底部接触，螺柱与底板2固定连接，并且与正刚度元件3不接触，旋转所述高度调节螺母即可调节对应连接的正刚度元件3的安装高度，即调节直线式作动器6和被动支承单元的相对高度，使二者有效工作行程的中点在高度上的差别尽量小，以不超过1mm或二者最小工作行程的1/10为佳。
所述位移传感器8采用光栅尺位移传感器，包括光栅尺和光栅尺读数头，所述光栅尺安装于所述顶板1上，所述光栅尺读数头安装于底板2上，以减小光栅尺读数头的连接线缆对顶板1的扰动影响，位移传感器8用于检测顶板1与底板2之间相对位移，从而为驱动控制模块10提供相应的反馈信息。
的驱动模块10接收位移传感器8的反馈信号，控制直线式作动器5和直线运动机构9运动，保证顶板1和底板2之间的相对位移恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，则顶板1对负载设备的支承力波动近零，以实现负载设备垂向零重力的模拟。底座11一端与直线运动机构9固定连接，另一端置于地基或类似的外部基础上。
在本发明的一个实施例中，所述正刚度元件3和所述负刚度元件4的数量都为四个，并且这些正刚度元件3和所述负刚度元件4呈正方形布置。高度调节机构7数量为四个，与所述正刚度元件3配合连接并呈正方形布置。导向机构6包括气气浮导轨动子和浮导轨定子，其形状为正方形，布置在底板2的中心。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微低重力环境模拟方法，其特征在于，采用微低重力环境模拟装置实现，所述微低重力环境模拟装置包括近零刚度支承组件和运动跟随组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，近零刚度支承组件包括顶板(1)、底板(2)、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线式作动器(5)，被动支承单元和直线式作动器(5)相并联，运动跟随组件与底板(2)相连，
微低重力环境模拟方法包括下述步骤：
S1：锁定运动跟随组件，在地表重力环境中将待模拟的负载设备放置于顶板上方，调整直线式作动器的发力大小为待模拟负载设备在目标微低重力环境下的重力，使被动支承单元承担待模拟的负载设备的剩余重力；
S2：调节被动支承单元，直至被动支承单元的刚度近零；
S3：调节待模拟的负载设备的初始速度为v0；
S4：解锁运动跟随组件，改变直线式作动器的出力状态、同时改变运动跟随组件以改变底板的运动状态，从而实现调整待模拟的负载设备所受合力大小，使得待模拟的负载设备具有目标微低重力环境下的加速度。
2.根据权利要求1所述的微低重力环境模拟方法，其特征在于，S2中被动支承单元的刚度近零的获取方法为：调节被动支承单元或直线式作动器的高度，使支承组件高度为被动支承单元的行程中点。
3.根据权利要求2所述的微低重力环境模拟方法，其特征在于，步骤S3中，待模拟的负载设备的初始速度v0为0时，直接从步骤S2进入步骤S4，步骤S3中调节过程无执行内容。
4.根据权利要求2所述的微低重力环境模拟方法，其特征在于，步骤S3中，待模拟的负载设备的初始速度v0不为0时，调节的具体过程为：改变直线式作动器出力大小，使待模拟的负载设备加速运动，同时启动运动跟随组件以调整底板的活动状态，最大可能实现底板和顶板之间的相对距离不变，直到底板和顶板的运动速度与初始速度v0之间的误差小于允许值。
5.根据权利要求3或4所述的微低重力环境模拟方法，其特征在于，步骤S4具体为，控制直线式作动器出力为零，控制底板和顶板同步运动，使顶板和底板相对高度变化量趋近于零，从而实现待模拟的负载设备所受支承力的波动趋近为零。
6.根据权利要求3或4所述的微低重力环境模拟方法，其特征在于，步骤S4具体为，检测顶板和底板之间相对高度变化，根据该相对高度变化控制直线式作动器出力大小，使直线式作动器出力大小与被动支承单元支承力波动值大小相等，方向相反。
7.根据权利要求3或4所述的微低重力环境模拟方法，其特征在于，步骤S4具体为，事先测定被动支承单元支承力随顶板和底板相对高度的变化曲线，并事先测定直线式作动器的推力常数随顶板-底板相对高度的变化曲线，基于底板和顶板相对高度变化，并依据直线式作动器的推力常数随顶板-底板相对高度的变化曲线确定直线式作动器的补偿力。
8.实现如权利要求1-7之一所述的微低重力环境模拟方法的模拟装置，其特征在于，近零刚度支承组件还包括导向机构(6)，被动支承单元包括正刚度元件(3)和负刚度元件(4)，运动跟随组件包括位移传感器(8)、直线运动机构(9)、驱动控制模块(10)和底座(11)，其中，正刚度元件(3)和负刚度元件(4)设置在顶板和底板之间，正刚度元件(3)和负刚度元件(4)相互并联共同组成被动支承单元，用于被动支承负载设备的重力，导向机构(6)也设置在顶板和底板之间，并同时连接顶板和底板，所述导向机构(6)用于在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板1与所述底板2之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉；
所述位移传感器(8)布置在顶板(1)与底板(2)之间，其上端与顶板(1)连接，下端与底板(2)连接，用于监测顶板和底板之间的高度变化；所述直线运动机构(9)的连接于底板(2)下方，使被动支承单元能够在负载设备重力方向上进行预设的移动；所述驱动控制模块(10)分别与位移传感器(8)和直线运动机构(9)电连接，用于根据接收到的位移传感器(8)的信号信息，驱动控制直线运动机构(9)；所述底座(11)顶面与直线运动机构(9)的固定端连接，底面固定连接于外部基础上；
以上装置工作时，所述驱动控制模块(10)接收位移传感器(8)的反馈信号，控制直线式作动器(5)和直线运动机构(9)运动，保证顶板(1)和底板(2)之间的相对位移相对恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，则顶板(1)对负载设备的支承力波动近零，保持了负载设备的重力加速度为零且恒定，以实现负载设备垂向零重力的模拟。
9.如权利要求8所述的模拟装置，其特征在于，所述正刚度元件(3)为金属螺旋弹簧、橡胶或空气弹簧；所述负刚度元件(4)为磁负刚度机构、预压缩弹簧负刚度机构、压杆负刚度或凸轮-滚轮-弹簧负刚度机构；所述导向机构(6)为气浮导轨；所述位移传感器(8)为光栅尺位移传感器、激光位移传感器、电涡流传感器、霍尔传感器或LVDT位移传感器；所述直线运动机构(9)为丝杠直线运动机构、气动直线运动机构、液压直线运动机构、齿轮-齿条直线运动机构、绞车提升机构、链传动机构、同步带传动机构或直线电机。
10.根据权利要求9所述的模拟装置，其特征在于，所述直线式作动器(5)为音圈电机、洛伦兹电机、直线电机或磁阻电机。
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