CN114132537B - 空间微重力双层悬浮隔振装置、科学实验柜以及悬浮方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间微重力双层悬浮隔振装置、科学实验柜以及悬浮方法，空间微重力双层悬浮隔振装置包括喷气悬浮实验台(简称外体)、磁悬浮实验台(简称内体)，内体设有磁铁，外体设有电磁线圈，内体嵌入外体中，磁铁与电磁线圈对应布置，利用通电线圈在磁场中产生的作用力控制内体相对于外体悬浮；外体上设有推力器，利用推力器喷射气流产生推力控制外体悬浮。本发明从硬件层面实现了外体跟随内体的双层无接触运动，隔离基础环境扰动，从而实现高微重力水平。

Description

空间微重力双层悬浮隔振装置、科学实验柜以及悬浮方法

技术领域

本发明涉及空间微重力技术领域，尤其涉及空间微重力双层悬浮隔振装置、科学实验柜以及悬浮方法。

背景技术

在载人航天领域，人们利用长期在轨有人照料的空间站中的失重环境，开展多种基础物理、流体物理等科学实验，但是在实验过程中，各科学实验载荷会受到飞行器平台由于振动、变轨、瞬变加速以及交会对接等过程产生的多种扰动作用力的影响，微重力水平无法达到科学实验要求。

因此，如何能尽可能地隔离或消除各种扰动，为空间科学实验研究创造更高的微重力环境，成为空间应用技术的一个重要课题。

目前从国际空间站的隔振应用实例来看，为达到相应的科学目标，分别采取了整柜级隔振以及载荷级主动隔振。整柜级隔振包括被动隔振PaRIS、主动隔振的ARIS项目，载荷级隔振有早期搭载航天飞机进行飞行实验的STABLE及MIM-I及MIM-II系列，此外还有美国MFSC为其手套箱开发的g-LIMIT装置。上述主动隔振装置均采用了单层电磁悬浮的主动控制系统。

国际空间站中还有一些舱内小机器人，利用气体推进可实现舱内自主飞行，进行相关技术验证，但不是用来进行隔振。

目前现有的面向空间应用的微重力主动隔振控制系统(MAIS)，由外体及内体构成，通过两个电缆连接内体与外体实现外体与内体之间的功率及数据交互。该方案采用单层电磁悬浮隔振方案，且内外体有电缆连接，不同频段对应的微重力水平无法满足更高的高微重力水平要求。

发明内容

本发明针对目前各种微重力实验方法的特点和空间科学实验高微重力环境需求，提出一种空间微重力双层悬浮隔振装置、科学实验柜以及悬浮方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：空间微重力双层悬浮隔振装置，包括喷气悬浮实验台以及设置在所述喷气悬浮实验台内的磁悬浮实验台，所述磁悬浮实验台上设有磁铁，所述喷气悬浮实验台的背板内壁上设有电磁线圈，所述磁铁与电磁线圈对应布置，并在磁铁和电磁线圈相互磁力作用下使磁悬浮实验台相对于喷气悬浮实验台做无接触悬浮运动；所述喷气悬浮实验台上装配有用于连接供气装置并在供气装置的作用下使喷气悬浮实验台悬浮运动的推力器。

其中，喷气悬浮实验台又称外体，磁悬浮实验台又称内体。

本发明的有益效果是：本发明从硬件层面解决了双层悬浮隔振控制模式问题，通过电磁和喷气双层悬浮控制实现了外体跟随内体的无接触运动，隔离基础环境扰动，从而实现高微重力水平。

进一步，所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上分别设有能够折展的限位机构；所述限位机构折叠至所述侧壁上时，所述磁悬浮实验台自由置于所述喷气悬浮实验台内；所述限位机构展开后能够与所述背板之间形成用于磁悬浮实验台悬浮的内悬浮空间。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以将磁悬浮实验台被限位机构限在外体背板附近的内悬浮空间内，实现在预设区域内的悬浮实验。

进一步，所述背板内侧面上设有用于连接导向杆的接口，所述磁悬浮实验台上设有导向孔；装配所述磁悬浮实验台时，所述导向杆通过所述接口先固定在背板上，所述磁悬浮实验台通过导向孔穿设在导向杆上，所述磁悬浮实验台两端分别通过松不脱装置与喷气悬浮实验台的两个相对侧壁锁紧及解锁。

采用上述进一步方案的有益效果是：导向杆的设置，方便将磁悬浮实验台装配到外体内。

进一步，所述喷气悬浮实验台下层设有供气装置，所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上分别设有缓冲气罐和所述推力器，所述供气装置通过管路分别与所述缓冲气罐连接，所述缓冲气罐分别与同一侧壁上的推力器连接；所述喷气悬浮实验台上设有微推电控盒，所述微推电控盒与所述推力器连接并控制所述推力器的通断。

采用上述进一步方案的有益效果是：供气装置提供气体动力源，缓冲气罐稳定气体压力，电控盒控制推力器通断，在气体动力作用下，使喷气悬浮实验台在设定区域内进行悬浮实验。

进一步，所述磁悬浮实验台上设有科学实验载荷通用接口；所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上分别设有锁紧被动接口，所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上设有可拆卸的上行承力工字梁。

采用上述进一步方案的有益效果是：磁悬浮实验台上的科学实验载荷通用接口，具有通过更换实验载荷开展不同实验的功能。喷气悬浮实验台上的锁紧被动接口，可以实现在发射上行阶段通过科学实验柜两侧的锁紧机构悬置固定在科学实验柜内，实现随舱发射时锁紧喷气悬浮实验台；入轨后，在无人状态下自动完成喷气悬浮实验台的解锁，并在做完悬浮实验后，再次自动锁紧喷气悬浮实验台。具体可通过科学实验柜两侧壁上的锁紧机构的伸缩柱进行发射锁紧。工字梁的设置，为发射上行结构提供结构支撑。

进一步，所述喷气悬浮实验台上装配有与所述喷气悬浮实验台的用电单元连接的外体锂电池，所述磁悬浮实验台上装配有为所述磁悬浮实验台供电的内体锂电池；

所述喷气悬浮实验台上设有实验台主控单元；所述喷气悬浮实验台背板上设有无线传能发送端，所述磁悬浮实验台上设有无线传能接收端，所述实验台主控单元控制无线传能发送端为无线传能接收端无线传输能量，实现为所述内体锂电池的充电。

进一步，所述喷气悬浮实验台采用六面体箱式结构，所述六面体箱式结构的左右侧壁以及底壁分别设有用于安装功能部件的中空夹层结构；所述六面体箱式结构的背板内侧设有用于安装功能部件的接口；所述磁悬浮实验台采用板状结构形式，所述磁悬浮实验台的正反两面分别用于安装功能单元和科学实验载荷。

空间微重力科学实验柜，包括柜体以及所述的空间微重力双层悬浮隔振装置，所述柜体内设有锁紧机构，所述锁紧机构与所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁锁紧固定，并悬置于所述柜体内；所述柜体的外侧门板上设有柜外无源视觉靶标，所述柜体的内侧背板上设有柜内有源视觉靶标，所述喷气悬浮实验台上设有能够辨别柜内有源视觉靶标或柜外无源视觉靶标可视区域内布局的靶面特征点的位姿测量相机组件；所述喷气悬浮实验台上还设有监视相机和相机控制器，所述相机控制器分别与所述监视相机以及所述位姿测量相机组件连接。

本发明的有益效果是：本发明的空间微重力科学实验柜，借助柜内和柜外无源视觉靶标，即可实现柜内限定区域悬浮实验模式，也可实现柜外安全边界内悬浮实验模式，避免悬浮体与空间站舱壁上任何附件的意外触碰。同时可以通过地面遥测或航天员参与实现悬浮实验台出柜和入柜以及释放和回收等动作，悬浮实验台与柜体具有无线通信功能，磁悬浮实验台上还具有通过更换实验载荷开展不同实验的功能；悬浮实验台能够进行拆除以及更换，支持实验柜重构。

空间微重力双层悬浮隔振装置的磁悬浮实验台拆装方法，包括：

拆除磁悬浮实验台时：将导向杆穿过磁悬浮实验台上的导向孔，并与喷气悬浮实验台的背板固定，将辅助把手安装在磁悬浮实验台的安装板上；解除磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的锁紧，握住辅助把手并将磁悬浮实验台沿着导向杆拉出，即将磁悬浮实验台从喷气悬浮实验台上拆除；

装配磁悬浮实验台时，将辅助把手安装在磁悬浮实验台上，并将该磁悬浮实验台的导向孔与导向杆对应，使磁悬浮实验台沿着所述导向杆推入所述喷气悬浮实验台的背板附近，然后将磁悬浮实验台对角的螺钉固定在喷气悬浮实验台相对的两个侧壁上，再将辅助把手和导向杆拆除，并将喷气悬浮实验台的相对两侧壁上的限位机构展开对磁悬浮实验台进行限位，即完成磁悬浮实验台在喷气悬浮实验台上的装配。

本发明的有益效果是：本发明安装磁悬浮实验台时，能够精准定位，易于内外体锁紧操作。

空间微重力双层悬浮隔振方法，利用空间微重力双层悬浮隔振装置以及柜体进行悬浮。包括：

(1)柜内实验模式

单层磁悬浮模式：所述柜体通过锁紧机构与所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁锁紧固定，解锁磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的连接，所述磁悬浮实验台通过电磁线圈和磁铁之间产生的作用力控制在喷气悬浮实验台内悬浮；

单层喷气悬浮模式：所述磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台锁紧固定，解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台在柜体内，通过柜内有源视觉靶标和推力器对喷气悬浮实验台进行单层喷气悬浮实验；

电磁和喷气双层悬浮模式：解锁磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的连接，同时解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台在柜体内，此时磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台无接触状态，进行双层悬浮隔振实验；

(2)柜外实验模式

单层喷气悬浮模式：磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台锁紧固定，解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台，并将喷气悬浮实验台移到柜体外，通过柜外无源视觉靶标和推力器对喷气悬浮实验台进行单层喷气悬浮实验；

电磁和喷气双层悬浮模式：解锁磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的连接，解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台，此时磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台无接触状态；将喷气悬浮实验台移到柜体外，通过柜外无源视觉靶标和推力器对喷气悬浮实验台进行单层喷气悬浮实验。

本发明的有益效果是：本发明的方法，通过电磁和喷气双层悬浮控制实现了外体跟随内体的无接触运动，隔离基础环境扰动，从而实现高微重力水平。既可实现柜内限定区域悬浮实验模式，也可实现柜外安全边界内悬浮实验模式，避免悬浮体与空间站舱壁上任何附件的意外触碰。

附图说明

图1为本发明双层悬浮隔振装置的立体爆炸结构示意图；

图2为本发明喷气悬浮实验台背板与磁悬浮实验台一种方位的装配结构示意图；

图3为本发明喷气悬浮实验台背板与磁悬浮实验台另一种方位的装配结构示意图；

图4为本发明喷气悬浮实验台一个侧壁的结构示意图；

图5为本发明喷气悬浮实验台另一个侧壁的结构示意图；

图6为本发明喷气悬浮实验台内部的主视结构示意图；

图7为本发明柜体的内部结构示意图；

图8为本发明喷气悬浮实验台在空间微重力科学实验柜内部的结构示意图；

图9为本发明喷气悬浮实验台在空间微重力科学实验柜外部的结构示意图；

图10为本发明双层悬浮隔振装置原理示意图；

图11为本发明限位机构的结构示意图；

图12a为本发明限位机构使用状态的结构示意图一；

图12b为本发明限位机构使用状态的结构示意图二；

图12c为本发明限位机构使用状态的结构示意图三。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、喷气悬浮实验台；101、背板；102、电磁线圈；103、推力器；104、限位机构；105、导向杆；106、缓冲气罐；107、锁紧被动接口；108、工字梁；109、实验台主控单元；111、无线传能发送端；112、外体锂电池；113、微推电控盒；114、位姿测量相机组件；115、监视相机；116、相机控制器；117、盖板；118、框体；119、位移测量模块；

1、限位柄帽；2、压簧；3、限位手柄；4、限位锁套；5、轴销；6、螺纹连接端；

200、磁悬浮实验台；201、磁铁；202、载荷测控单元；204、加速度测量模块；205、无线传能接收端；206、内体锂电池；207、辅助把手；

300、供气装置；

400、柜体；401、锁紧机构；402、柜外无源视觉靶标；403、柜内有源视觉靶标；

500、科学实验载荷。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1～图6所示，本实施例的空间微重力双层悬浮隔振装置，包括喷气悬浮实验台100以及设置在所述喷气悬浮实验台100内的磁悬浮实验台200，所述磁悬浮实验台200上设有磁铁201，所述喷气悬浮实验100台的背板101内壁上设有电磁线圈102，所述磁铁201与电磁线圈102对应布置，并在磁铁201和电磁线圈102相互磁力作用下使磁悬浮实验台200相对于喷气悬浮实验台100做无接触悬浮运动；所述喷气悬浮实验台100上装配有用于连接供气装置300并在供气装置300的作用下使喷气悬浮实验台100悬浮运动的推力器103。

其中，喷气悬浮实验台100又称外体，磁悬浮实验台200又称内体。

如图1和图6所示，本实施例的所述喷气悬浮实验台100的两个相对侧壁上分别设有能够折展的限位机构104；所述限位机构104折叠至所述侧壁上时，所述磁悬浮实验台200自由置于所述喷气悬浮实验台100内；所述限位机构104展开后能够与所述背板101之间形成用于磁悬浮实验台200悬浮的内悬浮空间。可以将磁悬浮实验台被限位机构限在外体背板附近的内悬浮空间内，实现在预设区域内的悬浮实验。

其中，所述限位机构具有弹簧预紧和展开锁定作用，通过上提拨动限位柄实现折叠与展开。如图11～图12c所示，所述限位机构的一个方案为，包括连接主体、限位柄帽1、压簧2、限位手柄3、限位锁套4、轴销5，所述连接主体的一端为螺纹连接端6，另一端设有轴销5，所述限位手柄3一端铰接在所述轴销5上，所述限位手柄3上套设有压簧2，所述压簧2一端连接在所述限位手柄3的另一端；所述限位锁套4和限位柄帽1均套设在限位手柄3上，所述限位柄帽1套设并连接在所述限位锁套4外侧壁上，所述限位锁套4位于所述限位柄帽1内的一端端面与所述压簧2另一端抵接，使压簧2被限位在限位手柄3另一端与限位锁套4的端面之间。限位机构在使用时，握住限位柄帽1向外拉，如图12a所示，带动限位锁套4一起向外运动，直至拉到底位置，如图12b所示，此时压簧在限位手柄3和限位锁套4的作用下压缩，然后整体向下沿方向B折叠，松手后限位柄帽1和限位锁套4被压簧2压紧在连接主体的下端，如图12c所示。此时，可将磁悬浮实验台200沿方向A向外取出。

如图2、图3和图6所示，本实施例的所述背板101内侧面上设有用于连接导向杆105的接口，所述磁悬浮实验台200上设有导向孔；装配所述磁悬浮实验台200时，所述导向杆105通过所述接口先固定在背板101上，所述磁悬浮实验台200通过导向孔穿设在导向杆105上，所述磁悬浮实验台200两端分别通过松不脱装置与喷气悬浮实验台100的两个相对侧壁锁紧及解锁。导向杆的设置，方便将磁悬浮实验台装配到外体内。

如图1所示，本实施例的空间微重力双层悬浮隔振装置中，所述喷气悬浮实验台100下层设有供气装置300，所述喷气悬浮实验台100的两个相对侧壁上分别设有缓冲气罐106和所述推力器103，所述供气装置300通过管路分别与所述缓冲气罐106连接，所述缓冲气罐106分别与同一侧壁上的推力器103连接；所述喷气悬浮实验台100上设有微推电控盒113，所述微推电控盒113与所述推力器103连接并控制所述推力器103的通断。供气装置提供气体动力源，缓冲气罐稳定气体压力，电控盒控制推力器通断，在气体动力作用下，使悬浮实验台在设定区域内进行悬浮实验。其中，所述供气装置300可以采用多个气瓶进行供气，并通过在管路上设置减压阀、截止阀、单向阀、传感器等部件来进行流量压力控制。喷气悬浮实验台100的每个侧壁上分别设有多个推力器103，推力器103的具体设置个数可以根据实际控制需求进行设定。例如可以在喷气悬浮实验台100的每个侧壁上分别设置12组推力器103，在每个侧壁的每个角上设置三组推力器103，每个角上的三组推力器103相互垂直并分别沿XYZ三轴方向布置。

如图1和图6所示，本实施例的所述磁悬浮实验台200上设有科学实验载荷通用接口；所述喷气悬浮实验台100的两个相对侧壁上分别设有锁紧被动接口107，所述喷气悬浮实验台100的两个相对侧壁上设有可拆卸的上行承力工字梁108。在轨开展实验研究的科学实验载荷500单独通过货船运送到空间站，并通过四角的松不脱螺钉固定在磁悬浮实验台200的安装板上，磁悬浮实验台上的载荷通用接口可以兼容多种实验模块，具有适用范围广、支持能力强等特点；锁紧被动接口107可以通过科学实验柜两侧的锁紧机构401锁紧固定在科学实验柜内，实现随舱发射锁紧喷气悬浮实验台100；入轨后，在无人状态下自动完成喷气悬浮实验台100的解锁，并在做完实验后，自动锁紧喷气悬浮实验台100。具体可通过锁紧机构401的伸缩柱进行发射锁紧；工字梁在喷气悬浮实验台发射上行时起到力学加强作用，上行后由航天员拆除不再使用。

如图1～图6所示，本实施例的所述喷气悬浮实验台100上装配有与所述喷气悬浮实验台100的用电单元连接的外体锂电池112，所述磁悬浮实验台200上装配有为所述磁悬浮实验台200供电的内体锂电池206；所述喷气悬浮实验台100上设有实验台主控单元109；所述喷气悬浮实验台100背板101上设有无线传能发送端111，所述磁悬浮实验台200上设有无线传能接收端205，所述实验台主控单元109控制无线传能发送端111为无线传能接收端205无线传输能量，实现为所述内体锂电池206的充电。所述无线传能发送端111与所述实验台主控单元109连接，所述无线传能接收端205与所述载荷测控单元202连接，无线传能发送端111由实验台主控单元109供电，并将电能以无接触、无偏置作用力的形式通过无线传能接收端205稳定传输给磁悬浮实验台200，进而为内体锂电池206充电。

具体的，所述喷气悬浮实验台上还装配有位移测量模块119；所述磁悬浮实验台200上装配有载荷测控单元202、光源、加速度测量模块204；所述光源集成到载荷测控单元202内部并与位移测量模块119对应布置，实验台主控单元109根据所述光源在位移测量模块119上的相对位置偏移量，控制电磁线圈102与磁铁201的输出作用力，进而控制内体相对于外体悬浮运动。所述载荷测控单元202与所述实验台主控单元109通过红外无线形式进行数据传输。

加速度测量模块204实时检测X、Y、Z三个正交方向的微重力加速度水平，为外体或内体或内外固连体的运动控制提供加速度数据。

位移测量模块119和光源用来测量内体相对于外体的位置，一端为安装在磁悬浮实验台200(内体)载荷测控单元202上的光源LED，一端为安装在喷气悬浮实验台100(外体)背板101上的位移测量模块119，通过测量光源在位移测量模块119的位置偏移，计算内体相对外体的运动位置。

具体的，如图4和图5所示，本实施例的喷气悬浮实验台100中，与背板101连接的两个侧壁分别包括盖板117和框体118，具体可在框体118上装配各个功能部件，然后将盖板117覆盖在框体118的外侧，以将各个功能部件遮挡覆盖住。

如图1所示，本实施例的一个具体方案为，所述喷气悬浮实验台100采用六面体箱式结构，所述六面体箱式结构的左右侧壁以及底壁分别设有用于安装功能部件的中空夹层结构；所述磁悬浮实验台200采用板状结构。所述六面体箱式结构的每个面上都对应设置有多个推力器103，例如可以设置24个推力器103，通过控制各个推力器103的开关，来控制喷气悬浮实验台100的悬浮姿态。

本实施例的空间微重力双层悬浮隔振装置的磁悬浮实验台拆装方法，包括：

拆除磁悬浮实验台200时：将导向杆105穿过磁悬浮实验台200上的导向孔，并与喷气悬浮实验台100的背板103固定，将辅助把手207安装在磁悬浮实验台200的安装板上；解除磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100的锁紧，握住辅助把手207并将磁悬浮实验台200沿着导向杆105拉出，即将磁悬浮实验台200从喷气悬浮实验台100上拆除；

装配磁悬浮实验台200时，将辅助把手207安装在磁悬浮实验台200上，并将该磁悬浮实验台200的导向孔与导向杆105对应，使磁悬浮实验台200沿着所述导向杆105推入所述喷气悬浮实验台100的背板101附近，然后将磁悬浮实验台200对角的螺钉固定在喷气悬浮实验台100相对的两个侧壁上，再将辅助把手207和导向杆105拆除，并将喷气悬浮实验台100的相对两侧壁上的限位机构104展开对磁悬浮实验台200进行限位，即完成磁悬浮实验台200在喷气悬浮实验台100上的装配。

本实施例的空间微重力双层悬浮隔振装置具有以下工作模式，分别为：

单层磁悬浮模式：解锁磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100的连接，系统加电，内外体之间通过锂电池和红外通讯方式进行供电和数据传递，所述磁悬浮实验台200通过电磁线圈102和磁铁201之间产生的作用力控制在喷气悬浮实验台100内悬浮；

单层喷气悬浮模式：所述磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100锁紧固定，释放喷气悬浮实验台100，通过推力器103对喷气悬浮实验台100进行单层喷气悬浮实验；

电磁和喷气双层悬浮模式：解锁磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100的连接，释放喷气悬浮实验台100，此时磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100无接触状态，进行双层悬浮隔振实验。

本实施例的双层悬浮隔振装置，科学实验载荷放置在内体上，内体嵌入外体中，外体通过位移测量模块实时跟踪测量内体的位置变化，调整线圈与磁铁作用力的大小控制内体姿态稳定；外体借助位姿测量相机和相机控制器进行高精度位姿测量和实时解算，通过推进系统对自身的位姿做出调整；为了减少脐带线干扰，内外体之间通过无线通讯方式进行数据传输，内外体各自设置一块锂电池分别进行供电，同时内外体之间采用无线传能技术实现能量传输。

本实施例的双层悬浮隔振装置，为基础物理科学实验提供高微重力环境和接口资源保障，外部构成喷气悬浮隔振系统，是隔离外部干扰环境包括舱内各种动力学声噪耦合、电磁环境的重要屏障，内部磁悬浮隔振平台为科学实验载荷提供所需的接口资源，经过无接触方式将内部科学实验载荷与外部环境隔离。

本实施例的空间微重力双层隔振装置通过内层磁悬浮和外层喷气悬浮的创新性组合非接触主动隔振技术，隔离空间站基础环境扰动，为多学科研究提供由于平台1～3个数量级的振动隔离支持能力，最高实现10^-7g量级的微重力实验环境。空间微重力双层隔振装置应用目标是支持基础物理领域新型惯性仪器的技术验证实验、带有旋转定向特性的新型等效原理实验、相对论物理与引力物理研究、高微重力流体动力学及其应用研究、微重力下材料制备过程机理研究等多学科高微重力实验，满足微重力实验水平的跨越与研究水平提升的需求。

实施例2

如图7～图10所示，本实施例的空间微重力科学实验柜，包括柜体400以及所述的空间微重力双层悬浮隔振装置，所述柜体400内设有锁紧机构401，所述锁紧机构401与所述喷气悬浮实验台100的两个相对侧壁锁紧被动接口107对接锁紧，并悬置于所述柜体400内；所述柜体400的内侧背板上设有柜内有源视觉靶标403，所述柜体400的门板外侧设有柜外无源视觉靶标402，所述喷气悬浮实验台100上设有能够辨别柜内有源视觉靶标或柜外无源视觉靶标可视区域内布局的靶面特征点的位姿测量相机组件；所述喷气悬浮实验台100上还设有监视相机115和相机控制器116，所述相机控制器116分别与所述监视相机115以及所述位姿测量相机组件114连接。

本实施例的空间微重力科学实验柜安装在飞行器舱体内，如图9所示。本实施例中，所述锁紧机构401具体可采用伸缩柱形式与所述锁紧被动接口107对接锁紧，实现随舱发射时锁紧喷气悬浮实验台100，入轨后，在无人状态下自动完成喷气悬浮实验台100解锁，做完实验后，再次自动锁紧喷气悬浮实验台100。喷气悬浮实验台100在工作中产生的热量可通过柜体400背板散热组件带走，该散热组件可以采用液冷与风冷结合的方式进行散热。

本实施例的空间微重力科学实验柜，为双层悬浮隔振装置及其它装置提供各种机电热等通用接口资源，具有与喷气悬浮实验台之间进行无线通信功能，拆除双层悬浮隔振装置及锁紧机构后，可实现实验柜空间重构，支持各种不同领域科学实验装置的安装需求、空间需求、供电需求及散热需求等。

本实施例的空间微重力科学实验柜具有两种工作模式，分别为柜内实验模式和柜外实验模式。

(1)柜内实验模式

单层磁悬浮模式：所述柜体400通过锁紧机构401与所述喷气悬浮实验台100的两个相对侧壁锁紧固定，解锁磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100的连接，系统加电，内外体之间通过锂电池和红外通讯方式进行供电和数据传递，所述磁悬浮实验台200通过电磁线圈102和磁铁201之间产生的作用力控制在喷气悬浮实验台100内悬浮；消除柜体内的振动干扰，实现内体的主动隔振，实验结束后，航天员再对内体进行固定。

单层喷气悬浮模式：所述磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100锁紧固定，地面数据注入指令或由航天员按下解锁按钮驱动，解锁喷气悬浮实验台100与柜体400的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台100在柜体400内，通过柜内有源视觉靶标403和推力器103对喷气悬浮实验台100进行单层喷气悬浮实验；实验结束后，地面发送数据注入指令使锁紧机构捕获外体锁紧，或者由航天员按下解锁按钮使锁紧机构捕获外体锁紧。

电磁和喷气双层悬浮模式：解锁磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100的连接，同时解锁喷气悬浮实验台100与柜体400的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台100在柜体400内，此时磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100无接触状态，通过软件实现靶标对中控制、常稳态跟随控制、移动到锁紧机构锁紧捕获位的控制等，进行双层悬浮隔振实验；实验结束后，地面发送数据注入指令，软件控制外体被锁紧机构捕获锁紧，或者由航天员按下解锁按钮驱动锁紧机构锁紧外体，然后宇航员对内体固定。

(2)柜外实验模式

单层喷气悬浮模式：磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100锁紧固定，地面数据注入指令或者由航天员按下解锁按钮驱动锁紧机构释放外体，解锁喷气悬浮实验台100与柜体400的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台100，并由宇航员将喷气悬浮实验台100移到柜体400外，通过柜外无源视觉靶标402和推力器103对喷气悬浮实验台100进行单层喷气悬浮实验；实验结束后，宇航员将外体移动到柜体内，地面发送数据注入指令，软件控制外体被锁紧机构捕获锁紧，或者由航天员摁解锁按钮驱动锁紧机构锁紧外体。

电磁和喷气双层悬浮模式：解锁磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100的连接，地面数据注入指令或者由航天员摁解锁按钮驱动机构释放外体，解锁喷气悬浮实验台100与柜体400的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台100，此时磁悬浮实验台200与喷气悬浮实验台100无接触状态；宇航员将喷气悬浮实验台100移到柜体400外，由软件自主实现外体跟随内体的无接触运动，进行双层悬浮隔振实验。实验结束后，宇航员将外体移动到柜体内，地面发送数据注入指令，软件控制外体被锁紧机构捕获锁紧，或者由航天员摁解锁按钮驱动锁紧机构锁紧外体，然后宇航员对内体固定。

具体的，喷气悬浮实验台100通过高压供气装置300提供气源，减压后经管路将低压气体输送到4个缓冲气罐106，进行压力稳定后再经过管路输送至末端的24个推力器103，然后微推电控盒113控制每个推力器103的开关，从而控制喷气悬浮实验台100在柜内±50mm的安全界限或柜外500mm～1500mm安全界限的区域内进行悬浮运动。位姿测量相机组件114除了识别靶标进行位姿测量之外，还具备场景图像下传功能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.空间微重力双层悬浮隔振装置，其特征在于，包括喷气悬浮实验台以及设置在所述喷气悬浮实验台内的磁悬浮实验台，所述磁悬浮实验台上设有磁铁，所述喷气悬浮实验台的背板内壁上设有电磁线圈，所述磁铁与电磁线圈对应布置，并在磁铁和电磁线圈相互磁力作用下使磁悬浮实验台相对于喷气悬浮实验台做无接触悬浮运动；所述喷气悬浮实验台上装配有用于连接供气装置并在供气装置的作用下使喷气悬浮实验台悬浮运动的推力器；所述磁悬浮实验台两端分别通过松不脱装置与喷气悬浮实验台的两个相对侧壁锁紧及解锁。

2.根据权利要求1所述空间微重力双层悬浮隔振装置，其特征在于，所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上分别设有能够折展的限位机构；所述限位机构折叠至所述侧壁上时，所述磁悬浮实验台自由置于所述喷气悬浮实验台内；所述限位机构展开后能够与所述背板之间形成用于磁悬浮实验台悬浮的内悬浮空间。

3.根据权利要求1所述空间微重力双层悬浮隔振装置，其特征在于，所述背板内侧面上设有用于连接导向杆的接口，所述磁悬浮实验台上设有导向孔；装配所述磁悬浮实验台时，所述导向杆通过所述接口先固定在背板上，所述磁悬浮实验台通过导向孔穿设在导向杆上。

4.根据权利要求1所述空间微重力双层悬浮隔振装置，其特征在于，所述喷气悬浮实验台下层设有供气装置，所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上分别设有缓冲气罐和所述推力器，所述供气装置通过管路分别与所述缓冲气罐连接，所述缓冲气罐分别与同一侧壁上的推力器连接；所述喷气悬浮实验台上设有微推电控盒，所述微推电控盒与所述推力器连接并控制所述推力器的通断。

5.根据权利要求1所述空间微重力双层悬浮隔振装置，其特征在于，所述磁悬浮实验台上设有科学实验载荷通用接口；所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上分别设有锁紧被动接口，所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁上设有可拆卸的上行承力工字梁。

6.根据权利要求1所述空间微重力双层悬浮隔振装置，其特征在于，所述喷气悬浮实验台上装配有与所述喷气悬浮实验台的用电单元连接的外体锂电池，所述磁悬浮实验台上装配有为所述磁悬浮实验台供电的内体锂电池；

所述喷气悬浮实验台上设有实验台主控单元；所述喷气悬浮实验台背板上设有无线传能发送端，所述磁悬浮实验台上设有无线传能接收端，所述实验台主控单元控制无线传能发送端为无线传能接收端无线传输能量，实现为所述内体锂电池的充电。

7.根据权利要求1所述空间微重力双层悬浮隔振装置，其特征在于，所述喷气悬浮实验台采用六面体箱式结构，所述六面体箱式结构的左右侧壁以及底壁分别设有用于安装功能部件的中空夹层结构，所述六面体箱式结构的背板内侧设有用于安装功能部件的接口；所述磁悬浮实验台采用板状结构形式，所述磁悬浮实验台的正反两面分别用于安装功能单元和科学实验载荷。

8.空间微重力科学实验柜，其特征在于，包括柜体以及权利要求1至7任一项所述的空间微重力双层悬浮隔振装置，所述柜体内设有锁紧机构，所述锁紧机构与所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁锁紧固定，并悬置于所述柜体内；所述柜体的外侧门板上设有柜外无源视觉靶标，所述柜体的内侧背板上设有柜内有源视觉靶标，所述喷气悬浮实验台上设有能够辨别柜内有源视觉靶标或柜外无源视觉靶标可视区域内布局的靶面特征点的位姿测量相机组件；所述喷气悬浮实验台上还设有监视相机和相机控制器，所述相机控制器分别与所述监视相机以及所述位姿测量相机组件连接。

9.权利要求1至7任一项空间微重力双层悬浮隔振装置的磁悬浮实验台拆装方法，其特征在于，包括：

拆除磁悬浮实验台时：将导向杆穿过磁悬浮实验台上的导向孔，并与喷气悬浮实验台的背板固定，将辅助把手安装在磁悬浮实验台的安装板上；解除磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的锁紧，握住辅助把手并将磁悬浮实验台沿着导向杆拉出，即将磁悬浮实验台从喷气悬浮实验台上拆除；

装配磁悬浮实验台时，将辅助把手安装在磁悬浮实验台上，并将该磁悬浮实验台的导向孔与导向杆对应，使磁悬浮实验台沿着所述导向杆推入所述喷气悬浮实验台的背板附近，然后将磁悬浮实验台对角的螺钉固定在喷气悬浮实验台相对的两个侧壁上，再将辅助把手和导向杆拆除，并将喷气悬浮实验台的相对两侧壁上的限位机构展开对磁悬浮实验台进行限位，即完成磁悬浮实验台在喷气悬浮实验台上的装配。

10.空间微重力双层悬浮隔振方法，其特征在于，利用权利要求8所述空间微重力双层悬浮隔振装置以及柜体进行悬浮，包括：

(1)柜内实验模式

单层磁悬浮模式：所述柜体通过锁紧机构与所述喷气悬浮实验台的两个相对侧壁锁紧固定，解锁磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的连接，所述磁悬浮实验台通过电磁线圈和磁铁之间产生的作用力控制在喷气悬浮实验台内悬浮；

单层喷气悬浮模式：所述磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台锁紧固定，解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台在柜体内，通过柜内有源视觉靶标和推力器对喷气悬浮实验台进行单层喷气悬浮实验；

电磁和喷气双层悬浮模式：解锁磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的连接，同时解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台在柜体内，此时磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台无接触状态，进行双层悬浮隔振实验；

(2)柜外实验模式

单层喷气悬浮模式：磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台锁紧固定，解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台，并将喷气悬浮实验台移到柜体外，通过柜外无源视觉靶标和推力器对喷气悬浮实验台进行单层喷气悬浮实验；

电磁和喷气双层悬浮模式：解锁磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台的连接，解锁喷气悬浮实验台与柜体的锁紧固定，释放喷气悬浮实验台，此时磁悬浮实验台与喷气悬浮实验台无接触状态；将喷气悬浮实验台移到柜体外，通过柜外无源视觉靶标和推力器对喷气悬浮实验台进行单层喷气悬浮实验。

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