CN114013695B - 一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 - Google Patents
一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114013695B CN114013695B CN202111529939.3A CN202111529939A CN114013695B CN 114013695 B CN114013695 B CN 114013695B CN 202111529939 A CN202111529939 A CN 202111529939A CN 114013695 B CN114013695 B CN 114013695B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- superconducting
- plane
- permanent magnet
- floating platform
- suspension
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000725 suspension Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 78
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims abstract description 59
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 44
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 21
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 18
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 18
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 13
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 10
- 229910021521 yttrium barium copper oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims 9
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 17
- 108091092878 Microsatellite Proteins 0.000 description 10
- 238000005339 levitation Methods 0.000 description 5
- 108010066057 cabin-1 Proteins 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 2
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Nd] Chemical compound [B].[Fe].[Nd] QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G7/00—Simulating cosmonautic conditions, e.g. for conditioning crews
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G7/00—Simulating cosmonautic conditions, e.g. for conditioning crews
- B64G2007/005—Space simulation vacuum chambers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，具体分为超导平动磁悬浮系统、双模式运动测量装置、超低温制冷系统，实现基于零场冷下超导体完全抗磁性的大面积低阻尼平动悬浮方法，引入超导围栏结构抑制超导平面的边缘效应，实现超过80％的有效平动区；为了实现超过10mm的高悬浮气隙，要求超低温制冷系统低于5K的超导温度；为了实现亚mN级的平动阻力，要求超导平面的低温均匀性优于0.5K，安装平面度优于0.5mm，永磁浮台下方圆环磁结构磁场均匀性控制在1％以下；为了测量μN级微小力，采用4个精度nm级位移传感器周向分布联合测量模式；为了评估微推力器大范围运动控制能力，采用双目视觉采集运动轨迹。
Description
技术领域
本发明涉及空间推力器微小推力测量评估以及微小卫星半实物仿真领域，具体是一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统。
背景技术
随着太空探测技术的不断发展，微小卫星由于其成本低、太空部署灵活等特点，得到了广泛关注，卫星任务也日益复杂。这些航天任务对微小卫星的机动能力、姿轨控控制能力甚至无拖曳控制水平都提出了很高要求。电推进器是微小卫星的驱动装置之一，根据不同的空间任务推力器的推力量级由N级延展至mN、甚至μN级，微小推力对卫星和推力器的地面半实物仿真实验提出了挑战。
卫星地面半实物仿真关键在于模拟微重力、低摩擦、真空等环境。气浮台是目前发展较好的卫星半实物仿真方法，依靠气动轴承实现抵消重力和降低摩擦的作用，但是气体工质使摩擦阻力偏大，很难满足搭载mN级和μN级推进器的微小卫星的地面仿真需求；气动控制系统结构复杂，质量较大，气浮台无法模拟真空环境。因此原有气浮台半实物仿真系统无法应用到电推力器微小推力评估，电推力器缺乏相关的验证手段。
基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统是一种满足微推进器地面仿真需求的方案。超导磁悬浮结构简单、承载力高，摩擦损失系数更小，无需特定工质辅助即可实现悬浮，而且采用真空低温环境，能够有效模拟外太空的工作环境。
超导平动磁悬浮系统的设计也存在一些难题，首先单块超导体尺寸有限，很难实现大范围低阻尼的平面运动；其次超导体的边缘效应，即永磁体在超导表面边缘处会受到向外的排斥力，仅中心部分区域为有效超导平动区域，限制了承载卫星的悬浮台的运动空间；除此之外拼接超导体拼接缝隙处存在磁场势阱，悬浮台平动经过时受到极小的磁滞阻尼力，会影响推力评估的分辨率；高温超导体的抗磁性依赖于低温环境均匀性，温度越低抗磁性越强，而大面积超导平面的漏热和温度分布不均匀问题是影响平动阻尼性能的另一大难题。
基于以上问题本发明设计了一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统。
发明内容
本发明针对微小卫星地面半实物仿真的需求，克服以上难题，设计了一种大平面低阻尼超导平面结构型真空姿轨控仿真试验系统，其超导平面面积大，可以有效保证承载卫星的悬浮台有足够的运动空间；悬浮阻尼小，使得浮台能够识别电推力器的微弱推力；超导围栏结构，有效抑制超导平面边缘效应，防止悬浮台离开超导平面；高聚磁低漏磁的永磁浮台减小了对卫星电推力器引入磁干扰影响；开环和闭环结合的双模式位移测量方法对卫星位置闭环静止控制和开环运动控制提供位置信息，测量精度高、范围广；恒定低温分布均匀，保证系统抗磁性的恒定，有效模拟外太空低温的环境。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
系统包括：超导平动磁悬浮系统、双模式运动测量装置以及超低温制冷系统。超导平动磁悬浮系统是系统的核心组件，为系统提供悬浮力，包括：超导平面、超导围栏、样本架、氮化铝压板和永磁浮台；双模式位移测量装置用于测量悬浮台平动位移，包括4个电容式位移传感器、传感器位置控制结构、2个CCD相机、相机支架；超低温制冷系统用于冷却超导平面并营造真空舱内低温恒定环境，包括热辐射屏、液氮热管、低温冷屏、冷链、4台制冷机。
超导平面位于整个系统的中心位置，超导平面尺寸1m×2m，采用方形边长40mm，厚度10mm的YBCO高温超导块组成拼接结构，各块超导体之间的边长和厚度误差小于0.1mm以保证拼接结构的完整性，各块之间悬浮力性能差异在5％以内保证平面内悬浮稳定性，超导平面能够为搭载卫星的悬浮台提供足够大的运动空间和承载力；超导块拼接间隙中采用超低温粘合剂浇注填补，缩小拼接间隙，保证拼接结构的完整性，降低平动悬浮阻尼。
超导围栏由厚度10mm、边长20mm的YBCO高温超导块横向拼接而成，超导块边长与厚度的误差小于0.1mm，超导围栏嵌入样本加方形板的边缘凹槽内，超导围栏会对60mm内的永磁体提供斥力，保证超导平面超过80％的有效工作面积。
样本架位于超导平面下方，样本架为方铜板与铜梁的组合结构，上表面铜梁环绕的中间区域为样本槽用于盛放超导平面，样本槽周围边缘处加工深5mm，宽10mm的凹槽，用于嵌入超导围栏，铜板板下表面有四个制冷机冷链连接口。
氮化铝压板位于超导平面上方，结构为方形薄板，厚度2mm，中心凹面与超导平面接触并挤压超导面，边缘与样本架铜杆相连，组成双通路导热结构提高超导平面的制冷效率。
永磁浮台悬浮于超导平面上方，浮台采用三层结构组成，上层为环氧树脂板便于二次加工，直接与卫星电推力器相连，中层为铁磁屏蔽结构与铝制永磁体固定板，下部分为采用了4个永磁组合体，单永磁组合体由外聚磁铁环、外永磁环、内聚磁铁环、内永磁环、内聚磁铁环组成，其中内外磁环磁极相对，保证永磁悬浮台低漏磁、高聚磁特性；浮台边缘排布电容式位移传感器的一个电极。
4个电容式位移传感器分布于永磁浮台四周，各传感器正对永磁浮台周围电极，测量浮台微小位移。
位移传感器位置控制装置与电容式位移传感器相连，包括旋转电机、步进电机和传感器，根据工作需求人为控制电机运转，从而带动位移传感器进入或离开工作位置。
2个CCD相机组成双目视觉位移测量装置，通过支架固定于超导平面上方，通过调整水平位置选择合适的图像采集范围，用于测量永磁浮台大范围位移。
热辐射屏位于超导平面外围，形状为圆筒状，包围超导平面，用于屏蔽外界环境中的热辐射，结构材料选用铜，避免对内部磁场造成干扰。
液氮热管为缠绕在热辐射屏外围的管道，内部不断通入液氮，通过冷却热辐射屏抵消热辐射的影响，为内部创造出一种低温环境，减少超导平面漏热和降低制冷机的负载。
低温冷屏位于超导平面四周并与超导平面保持一定间隙，下方通过圆筒与制冷机一级冷头相连，主要用于降低超导平面漏热，提高制冷效率。
冷链连接制冷机二级冷头与样本架底座，冷链具有一定的弹性刚度，避免样本架因低温热变形压迫制冷机。
4台GM制冷机均匀分布于底座下方，通过冷链连接可以极大提高制冷效率和制冷均匀性。
本发明的优点如下：
(1)一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，运动范围大、运动阻尼小，仿真程度高，大超导平面结构保证了永磁浮台平动范围，通过超低温粘合剂粘接超导块保证了结构的完整性减少拼接间隙，减低悬浮运动阻尼，有利于提高微小卫星的微推力器地面姿轨控仿真准确度和可靠性。
(2)一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，超导围栏结构形成抗磁性边界，抑制了超导平面的边缘效应，保证了平面80％以上的有效平动范围，抗磁性边界与永磁浮台不发生接触性碰撞，降低碰撞能量损失。
(3)一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，超导平面为YBCO超导块拼接结构，提供足够的运动实验区域面积，超导块采用方形边长40mm，厚度10mm的YBCO高温超导块，各块超导体边长和厚度误差小于0.1mm保证拼接结构的完整性，各块之间悬浮力性能差异在5％以内保证平面内悬浮稳定性；超导块拼接间隙中采用超低温粘合剂浇注填补，缩小拼接间隙，保证拼接结构的完整性，降低超导体磁场势阱从而降低平动悬浮阻尼。
(4)一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，实现双模式位移测量方法，测量精度高，量程覆盖面广，包括双目视觉大范围测量模式和电容式位移传感器微小位移测量模式，双目视觉测量永磁浮台大范围运动参数，位移传感器用于测量微小位移，可以为永磁浮台闭环控制提供反馈信号。
(5)一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其优点是超低温制冷系统制冷面积大、温度低且分布均匀、制冷效率高，其中液氮热管结构用于预冷和营造舱内稳定低温环境，4台制冷机联动制冷装置对超导面二次冷却并维持工作温度，冷屏结构与制冷机一级冷头相连减少超导面漏热量，三者相辅相成可以实现超导平面内温度低于5K，温度均匀度优于0.5K，超低温环境有效抑制温度噪声与电磁噪声，保证了永磁浮台运动的稳定性。
本发明的有益效果是：将零场冷下的超导磁悬浮技术应用于微小卫星的半实物仿真试验系统中，提供了接近零阻尼的大范围运动空间，可以识别卫星电推力器作用下的微弱力，可以满足电推进微小力作用下的卫星姿轨控仿真高精度、宽范围的需求，永磁浮台高聚磁、低漏磁，超导围栏抑制超导边界效应，双模式的测量方法测量精度高测量范围广，超低温制冷系统制冷温度低且分布均匀，最终实现了一种大面积、高承载、低阻尼的超导平面结构的真空姿轨控半实物仿真试验系统，有效模拟了低摩擦、微重力的环境，实现了一种微推力器地面验证新方法。
附图说明
图1是本发明一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统的示意图
1-真空舱，2-液氮热管，3-热辐射屏，4-双目视觉位移测量装置，5-可调相机支架，6-位移传感器位置控制装置，7-电容式位移传感器，8-电推力器，9-永磁浮台，10-低温冷屏，11-超导面与样本架，12-冷链，13-冷屏底座，14-G-M制冷机
图2是本发明位移传感器位置控制装置示意图
601-L形转接板，602-旋转电机，603-电机连接板，604-步进电机，605-悬臂，7-电容式位移传感器
图3是本发明永磁浮台的示意图
901-推力器安装板，902-磁屏蔽板，903-永磁体固定板，904外永磁环，905-内永磁环，906-内聚磁环，907-中聚磁环，908-外聚磁环
图4是本发明超导平面与样本架示意图
1101-氮化铝压板，1102-氮化铝侧压板，1103-样本架，1104-超导平面，1105-拼接超导围栏
具体实施方式
下面将结合附图和实施要领对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，利用真空环境下超导体的完全抗磁性模拟外太空环境，实现接近零阻尼的平动悬浮，开环和闭环结合的双模式微小位移测量方法兼顾多种量程的位移识别，测量精度高有利于卫星地面精准模拟控制，超低温均匀制冷装置提升超导平面性能的同时有效降低温度噪声影响，由此本发明设计了一种地面真空姿轨控半实物仿真试验新方法。
所述系统结构如图1所示，1-真空舱，2-液氮热管，3-热辐射屏，4-双目视觉位移测量装置，5-可调相机支架，6-位移传感器位置控制装置，7-电容式位移传感器，8-电推力器，9-永磁浮台，10-低温冷屏，11-超导面与样本架，12-冷链，13-冷屏底座，14-G-M制冷机。
液氮热管2采用外径20mm，内径15mm的铝制管路，管路呈蛇形环绕在热辐射屏3外部，两者采用焊接连接，热辐射屏3为圆弧形结构，采用壁厚5mm铜板制作而成，固定于真空舱内壁上，液氮热管2与热辐射屏3组成系统的初级制冷结构，热辐射屏3吸收外界环境的热辐射，液氮热管2通过热交换将热辐射屏3积累的热量散出舱外。
两个CCD相机组成双目视觉位移测量装置4，两个相机测量视野的交叉位置即为装置的测量范围，双目视觉位移测量装置4固定于可调相机支架5上，手动调节支架结构调整双目视觉位移测量装置的测量范围，双目视觉测量相比于单目视觉测量精度更高，能够实现立体多维运动轨迹捕捉，对永磁浮台9大范围平动位移进行高精度测量，实现浮台的开环运动测量。
电容式位移传感器7分布在永磁浮台9四周，固定在位移传感器悬臂605上，位置受位移传感器位置控制装置6调整，四个电容式位移传感器7测量永磁浮台9微小位移，为浮台的精准闭环控制提供反馈信号。
如图2所示，位移传感器位置控制装置6由旋转电机602、步进电机604和机械连接零件组成，上方通过L形转接板601悬挂在可调相机支架5一侧横梁上，中间旋转电机602控制下方步进电机604结构90°范围转动，下方结构与支架横梁垂直时为电容式位移传感器7工作状态，步进电机604通过伸缩悬臂605调整传感器测量距离，电机最大位移30cm，悬臂605将电容式位移传感器7伸出正对永磁浮台9的一侧，通过位移传感器位置控制装置6可以准确快捷调整测量模式，也可以非工作模式下将电容式位移传感器7挪开为浮台提供足够的运动空间。
如图3所示，永磁浮台9为本发明的运动执行机构，整体分为三层结构。上层结构为方形推力器安装板901，尺寸40cm×40cm×1cm，采用环氧树脂材料减重的同时避免磁效应影响电推力器8，板上方打孔用于安装4个电推力器8组件；中层结构包括磁屏蔽板902和永磁体固定板903，磁屏蔽板902厚度3mm的铁环结构，用于屏蔽下方永磁体磁场，永磁体固定板903采用铝质材料，上方连接推力器安装板901，下方四个圆槽固定永磁体结构；下层为四个永磁组合体，单个永磁组合体为内径40mm、外径120mm多层圆环结构，从外到内各层材料为4mm厚外聚磁环908、15mm厚外永磁环904、2mm厚中聚磁环907、15mm厚内永磁环905、4mm厚内聚磁环906，永磁环材质为钕铁硼磁铁，聚磁环材质为铁，内外永磁环磁极都相对指向中聚磁环，单个永磁组合体磁场周向磁场分布均匀，磁场不均匀性控制在5％以下，强聚磁，低漏磁，四个永磁组合体共同提供实现更加稳定的悬浮力。
4个电推力器8固定在永磁浮台9上表面，控制浮台的运动姿态。
如图4所示，超导平面1104尺寸1m×2m，采用方形边长40mm、厚度10mm的YBCO高温超导块拼接结构，能够为搭载卫星的悬浮台提供足够大的运动空间和承载力，超导块拼接间隙中采用超低温粘合剂浇注填补，缩小拼接间隙，保证拼接结构的完整性，降低平动悬浮阻尼。
由于单一的超导平面1104具有较为明显的边缘效应，所以本发明在超导平面1104的边缘增加一圈拼接超导围栏1105结构，拼接超导围栏1105由厚度10mm，边长20mm的高温超导块横向拼接而成，整体嵌入样本架方形板的边缘凹槽内，超导围栏会对60mm范围内的永磁体提供斥力，形成一种无形的磁场边界，与永磁浮台9实现非弹性碰撞，能够保证超导平面超过80％的有效工作面积。
样本架1103由铜板和铜梁拼接而成，铜梁固定在铜板上表面四周，形成一个2m×1m的样本容器，同时槽边缘的铜板上加工深5mm，宽10mm的超导围栏1105固定槽，铜质样本架1103具有较高的导热效率，提高了样本温度分布均匀度，铜板厚度10mm，加装铜梁后保证6K温度下热形变小于0.5mm。
氮化铝压板1101厚度3mm，覆盖在超导平面上方，用于固定超导体，氮化铝侧压板1102一侧连接样本架1103，一侧紧压住氮化铝压1101板起固定作用；两种压板与样本架1103组合形成了超导平面的上下双通路导热结构，提升了导热效率。
4台两级G-M制冷机14作为冷源，单个两级制冷量1.5W@4.2K，可以有效抑制样本架1103自身的热量，G-M制冷机14与样本架1103通过具有弹性的铜冷链12连接，允许样本架2mm以内的低温热变形，可以避免样本架1103热变形压迫损坏制冷机冷头，四台G-M制冷机14作用下可以实现样本架1103整体温度小于5K，温度均匀性优于0.5K。
低温冷屏10作为第二级热防护包裹着G-M制冷机14冷头与样本架1103，冷屏为2mm厚度的铜质薄壳结构，上方为方形抽屉结构，下方为四个圆筒通过螺钉连接G-M制冷机的一级冷头，用于降低热量损失，也起到一定的磁屏蔽作用。
工作前真空舱内外处于常温状态，超导体与永磁体之间不存在悬浮力，将永磁浮台9抬升至冷屏上方60mm处，控制传感器控制装置收拢位移传感器。
工作时操作如下：
关闭真空舱1舱门，对真空舱1进行抽真空处理，直到舱内压强低于10-4Pa；之后舱内降温流程，向液氮热管2通入氮气3min排除内部空气，然后打开液氮阀门通入液氮对真空舱1进行预冷，液氮循环预冷时间约30min，内部温度低于150K时，降低液氮循环速度，开启4台G-M制冷机14对超导平面1104正式进行冷却，期间观察超导平面1104各处温度，冷却时间约1.5h，超导平面1104温度低于5K，各点温度波动小于0.5K说明正式进入工作状态。
不断降低永磁浮台9悬浮高度，直到重力被超导悬浮力完全抵消，使浮台悬浮于超导平面1104上方，永磁浮台9与超导平面1104间悬浮气隙高于10mm，由于超导体处于完全抗磁的状态，永磁浮台9水平方向几乎不受力会随机运动，并在接近边缘处与超导围栏结构1105作用反弹，打开双目视觉位移测量装置4纪录永磁浮台9运动轨迹，分析其运动阻尼。
电容式位移传感器微小位移测量模式为，打开永磁浮台9搭载的电推力器8，通过控制各电推力器8推力使永磁浮台9停留大约在平面中心位置，启动位移传感器位置控制装置6，控制旋转电机602转动90°使电容式位移传感器7正对永磁浮台9一侧，打开步进电机604推动传感器7接近永磁浮台9，直到两者距离在传感器量程内，为传感器量程的2/3，打开传感器确认位置并置零，此时微小位移测量模式开始；传感器7测量的电信号反馈给电推力器8，使电推力器8闭环位置控制，实现永磁浮台9接近静止的悬停，识别亚mN级推力。
双目视觉大范围测量模式为，控制步进电机604和旋转电机602收回位移传感器7，恢复到原始位置，控制电推力器8推力使永磁浮台9以某一姿态运动，CCD相机组成的双目视觉位移测量装置4捕捉永磁浮台9轨迹，通过数据图像处理分析浮台各自由度运动参数，验证姿态控制能力，最终可以验证平动和转动三自由度姿态运动控制，识别mN级推力，实现50cm×50cm的测量范围。
实验结束后，关闭电推力器8电源，使电推力器8温度恢复，关闭四台G-M制冷机14，关闭液氮阀门，停止向液氮热管2内通入液氮，真空舱1内逐渐升温，超导平面1104温度回升，超导平面1104失超永磁浮台9降落，等舱内各部分达到常温后关闭真空泵，压力稳定后打开舱门，等待下一次实验。
微小位移模式与大范围位移模式能够模拟了太空环境下微小卫星的静止悬停与3自由度运动控制过程，因此本发明是一种可行的微小卫星半实物仿真新方法。
Claims (7)
1.一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其特征在于，所述亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统包括：超导平动磁悬浮系统、双模式运动测量装置、超低温制冷系统，具体为：
所述超导平动磁悬浮系统包括：超导平面(1104)、样本架(1103)、氮化铝压板(1101)、拼接超导围栏(1105)、永磁浮台(9)、电推力器(8)，样本架(1103)位于超导平面(1104)下方，超导平面(1104)边缘增加一圈拼接超导围栏(1105)，拼接超导围栏(1105)整体嵌入样本架(1103)方形板的边缘凹槽内，氮化铝压板(1101)覆盖在超导平面(1104)上方用于固定超导体，永磁浮台(9)悬浮于超导平面(1104)上方，电推力器(8)固定在永磁浮台(9)上表面，基于超导体完全抗磁性实现低阻尼平动悬浮，利用超导围栏结构降低超导体边缘效应的影响，通过调整永磁浮台配重改变悬浮气隙，选择合适的平动阻尼和能量损耗；
所述双模式运动测量装置包括：电容式位移传感器(7)、位移传感器位置控制装置(6)、双目视觉位移测量装置(4)、可调相机支架(5)，两个CCD相机组成双目视觉位移测量装置(4)，双目视觉位移测量装置(4)固定于可调相机支架(5)上，位移传感器位置控制装置(6)包括旋转电机(602)、步进电机(604)、L形转接板(601)、悬臂(605)、电机连接板(603)，一端通过L形转接板(601)与可调相机支架(5)相连接，另一端利用悬臂(605)固定电容式位移传感器(7)，步进电机(604)悬挂于旋转电机(602)下方，旋转电机(602)控制下方步进电机(604)90°范围内转动，电容式位移传感器(7)分布在永磁浮台(9)四周，双模式运动测量装置实现了电容式位移传感器微小位移测量模式与双目视觉大范围测量模式两种运动测量模式，两种测量模式自由控制转换，分别对应亚mN级和mN级的测量分辨率；
所述超低温制冷系统包括真空舱(1)、热辐射屏(3)、液氮热管(2)、低温冷屏(10)、冷链(12)、4台G-M制冷机(14)，液氮热管(2)呈蛇形环绕在热辐射屏(3)外部，热辐射屏(3)固定于真空舱(1)内壁上，预冷并营造舱内稳定低温环境，由样本架(1103)下方均匀分布的4台G-M制冷机(14)组成G-M制冷机联动制冷装置，根据超导平面温度分布控制制冷功率，联合制冷；低温冷屏(10)与G-M制冷机(14)一级冷头相连，低温冷屏(10)包裹着G-M制冷机的冷头与样本架，用于减少超导平面(1104)漏热量；G-M制冷机(14)二级冷头通过冷链(12)与样本架(1103)连接，冷链(12)允许样本架(1103)2mm以内的低温热变形，超低温制冷系统实现超导平面(1104)温度低于5K、温度分布均匀度优于0.5K。
2.如权利要求1所述的一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其特征在于，所述超导平面(1104)为YBCO超导块拼接结构，提供足够的运动仿真面积，超导块采用方形边长40mm，厚度10mm的YBCO高温超导块，各块超导块边长和厚度误差小于0.1mm保证拼接结构的完整性，各块之间悬浮力性能差异在5％以内保证平面内悬浮稳定性，超导块拼接间隙中采用超低温粘合剂浇注填补，缩小拼接间隙，保证拼接结构的完整性，降低超导块磁场势阱从而降低平动悬浮阻尼。
3.如权利要求1所述的一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其特征在于，所述超导平面(1104)周围采用10mm厚度的高温超导块拼接成的围栏式结构，形成超导平面(1104)边缘屏蔽磁场，实现永磁浮台(9)与拼接超导围栏(1105)间的非接触式碰撞，减少超导平面的边缘效应的影响，保证了80％以上的有效平动悬浮范围。
4.如权利要求1所述的一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其特征在于，所述永磁浮台(9)与超导平面(1104)间悬浮气隙高于10mm，永磁浮台下方圆环磁结构磁场不均匀性控制在5％以下。
5.如权利要求1所述的一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其特征在于，所述电容式位移传感器微小位移测量模式，针对空间微推力器静止悬停控制仿真的需求，四个电容式位移传感器(7)周向分布，通过四个传感器参数分析三个自由度的微小位移，三个自由度为X、Y轴平动和Z轴转动，识别亚mN级电推力器推力，电容式位移传感器(7)探头与永磁浮台(9)一侧的间距为传感器量程的2/3，电容式位移传感器微小位移测量模式为零位移姿态控制提供反馈信号，进行高精度闭环位置控制。
6.如权利要求1所述的一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其特征在于，所述的双目视觉大范围测量模式，针对空间微推力器大范围运动姿态测量的需求，两个CCD相机同时采集永磁浮台运动图像，通过数据图像处理分析浮台各自由度运动参数，实现对永磁浮台的立体多维运动轨迹捕捉，双目视觉大范围测量模式识别mN级电推力器推力，实现50cm×50cm的测量范围。
7.如权利要求1所述的一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统，其特征在于，所述双模式运动测量装置，利用位移传感器位置控制装置(6)与可调相机支架(5)控制测量模式切换，旋转电机(602)控制进入或离开电容式位移传感器微小位移测量模式，步进电机(604)控制电容式位移传感器(7)探头与永磁浮台(9)之间距离。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111529939.3A CN114013695B (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111529939.3A CN114013695B (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114013695A CN114013695A (zh) | 2022-02-08 |
| CN114013695B true CN114013695B (zh) | 2024-05-24 |
Family
ID=80068778
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111529939.3A Active CN114013695B (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114013695B (zh) |
Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6079267A (en) * | 1998-11-06 | 2000-06-27 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method and apparatus for measuring gravitational acceleration utilizing a high temperature superconducting bearing |
| CN1299967A (zh) * | 1999-12-16 | 2001-06-20 | 西南交通大学 | 高温超导磁悬浮测试技术 |
| US6412360B1 (en) * | 1999-09-28 | 2002-07-02 | Barry F. Hebert | Spacecraft test system |
| BRPI0500362A (pt) * | 2005-01-31 | 2006-09-12 | Jose Arimathea Negrao | obtenção de energia elétrica por supergeradores verticais em ambiente a vácuo dentro de tubos cilìndricos de concreto |
| JP2011190837A (ja) * | 2010-03-12 | 2011-09-29 | Kochi Univ Of Technology | 超電導磁気軸受・磁気浮上装置における制振制御機構 |
| CN102853954A (zh) * | 2012-08-30 | 2013-01-02 | 北京航空航天大学 | 高温超导悬浮微小力测量装置 |
| CN102854478A (zh) * | 2012-09-03 | 2013-01-02 | 西南交通大学 | 单块高温超导块材磁悬浮特性测试装置 |
| KR20130047129A (ko) * | 2011-10-31 | 2013-05-08 | 한국항공우주연구원 | 우주환경모사장비 |
| CN204791716U (zh) * | 2015-06-30 | 2015-11-18 | 许昌学院 | 一种高温超导实验测试仪 |
| CN107271008A (zh) * | 2016-03-31 | 2017-10-20 | 费斯托股份有限两合公司 | 测量组件和用于运行测量组件的方法 |
| CN107393676A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-11-24 | 北京航空航天大学 | 一种用于超导磁悬浮微小推力测量系统的超导体冷却结构 |
| CN107631817A (zh) * | 2017-08-14 | 2018-01-26 | 中国科学院力学研究所 | 一种微牛级微推力测试系统及测试方法 |
| CN110657907A (zh) * | 2019-08-19 | 2020-01-07 | 北京航空航天大学 | 一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置 |
| CN111462601A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-07-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置 |
| CN112087162A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-12-15 | 北京航空航天大学 | 一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统 |
| CN212172583U (zh) * | 2020-04-15 | 2020-12-18 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统 |
| CN113296036A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-08-24 | 福建师范大学 | 一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置 |
-
2021
- 2021-12-07 CN CN202111529939.3A patent/CN114013695B/zh active Active
Patent Citations (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6079267A (en) * | 1998-11-06 | 2000-06-27 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method and apparatus for measuring gravitational acceleration utilizing a high temperature superconducting bearing |
| US6412360B1 (en) * | 1999-09-28 | 2002-07-02 | Barry F. Hebert | Spacecraft test system |
| CN1299967A (zh) * | 1999-12-16 | 2001-06-20 | 西南交通大学 | 高温超导磁悬浮测试技术 |
| BRPI0500362A (pt) * | 2005-01-31 | 2006-09-12 | Jose Arimathea Negrao | obtenção de energia elétrica por supergeradores verticais em ambiente a vácuo dentro de tubos cilìndricos de concreto |
| JP2011190837A (ja) * | 2010-03-12 | 2011-09-29 | Kochi Univ Of Technology | 超電導磁気軸受・磁気浮上装置における制振制御機構 |
| KR20130047129A (ko) * | 2011-10-31 | 2013-05-08 | 한국항공우주연구원 | 우주환경모사장비 |
| CN102853954A (zh) * | 2012-08-30 | 2013-01-02 | 北京航空航天大学 | 高温超导悬浮微小力测量装置 |
| CN102854478A (zh) * | 2012-09-03 | 2013-01-02 | 西南交通大学 | 单块高温超导块材磁悬浮特性测试装置 |
| CN204791716U (zh) * | 2015-06-30 | 2015-11-18 | 许昌学院 | 一种高温超导实验测试仪 |
| CN107271008A (zh) * | 2016-03-31 | 2017-10-20 | 费斯托股份有限两合公司 | 测量组件和用于运行测量组件的方法 |
| CN107393676A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-11-24 | 北京航空航天大学 | 一种用于超导磁悬浮微小推力测量系统的超导体冷却结构 |
| CN107631817A (zh) * | 2017-08-14 | 2018-01-26 | 中国科学院力学研究所 | 一种微牛级微推力测试系统及测试方法 |
| CN110657907A (zh) * | 2019-08-19 | 2020-01-07 | 北京航空航天大学 | 一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置 |
| WO2021031799A1 (zh) * | 2019-08-19 | 2021-02-25 | 北京航空航天大学 | 一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置 |
| CN111462601A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-07-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于电磁涡流效应的超导磁悬浮试验台起消旋装置 |
| CN212172583U (zh) * | 2020-04-15 | 2020-12-18 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统 |
| CN112087162A (zh) * | 2020-06-05 | 2020-12-15 | 北京航空航天大学 | 一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统 |
| CN113296036A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-08-24 | 福建师范大学 | 一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 可用于航天助推发射的高温超导磁悬浮技术;杨文将;刘宇;温正;段毅;陈晓东;;宇航学报(第03期);第522-526页 * |
| 高温超导磁悬浮助推技术动态特性的试验分析;温正;刘宇;杨文将;丘明;;北京航空航天大学学报;20070130(第01期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114013695A (zh) | 2022-02-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ma et al. | Superconductor and magnet levitation devices | |
| US6231011B1 (en) | Satellite angular momentum control system using magnet-superconductor flywheels | |
| US5831362A (en) | Magnet-superconductor flywheel and levitation systems | |
| US5789837A (en) | High-temperature superconducting magnetic bearing | |
| CN108168757B (zh) | 空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法 | |
| CN114013695B (zh) | 一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 | |
| CN112087162B (zh) | 一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统 | |
| US5567672A (en) | Method and apparatus for damping mechanical vibration with a high Tc superconductor | |
| Werfel et al. | Impact of cryogenics and superconducting components for HTS magnetic levitation devices | |
| CN113296036A (zh) | 一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置 | |
| US6281773B1 (en) | Magnetizing magnet | |
| Wang et al. | Development of high magnetic field superconducting magnet technology and applications in China | |
| Sakurai et al. | Development of a contact-less cryogenic rotation mechanism employed for a polarization modulator unit in cosmic microwave background polarization experiments | |
| Neunzig et al. | Characterization of a rotational thrust balance for propellantless propulsion concepts utilizing magnetic levitation with superconductors | |
| Yang et al. | Dynamic force characteristics in a superconducting interface module | |
| Sakurai et al. | Half-meter scale superconducting magnetic bearing for cosmic microwave background polarization experiments | |
| Hull | Using high-temperature superconductors for levitation applications | |
| CN110993143A (zh) | 一种紧凑型超导中子极化翻转器 | |
| CN211742688U (zh) | 一种紧凑型超导中子极化翻转器 | |
| CN110697083B (zh) | 利用高温超导永磁交互作用力操控微小卫星组态的模拟装置 | |
| Werfel et al. | Laser beam deflection polygon scanner using HTS bearings | |
| Hekmati et al. | Structures for high temperature superconducting magnetic bearings | |
| JP3188977B2 (ja) | 駆動装置 | |
| Qiu et al. | Experimental study and optimization of HTS bulk levitation unit for launch assist | |
| JP3151492B2 (ja) | スライド装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |