一种空间微重力环境地面模拟实验装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种空间微重力环境地面模拟实验装置，包括地基、两个支撑柱、横向气浮导轨、纵向气浮导轨、滑车和失重模拟控制系统，两个支撑柱分别水平安装在地基上，横向气浮导轨安装于两个支撑柱上，纵向气浮导轨安装在横向气浮导轨上，滑车安装在纵向气浮导轨上，失重模拟控制系统安装在滑车上，滑车上安装有控制器；所述的失重模拟控制系统包括伺服电机、卷丝轮、吊丝、力传感器和飞行器，伺服电机连接卷丝轮，卷丝轮连接吊丝，吊丝连接力传感器，力传感器连接飞行器，控制器分别与力传感器、伺服电机电信号连接。本发明具有结构简单、逼真度高、操作方便、易于实现、成本低、试验时间不受限制的特点。
【专利说明】—种空间微重力环境地面模拟实验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及仿真技术，具体涉及一种空间微重力环境的模拟实验装置。
【背景技术】
[0002]航天器在空间运行时处于失重状态，为了确保航天器在轨任务的成功，需要在地面进行充分的实验分析验证，因此在地面Ig环境下构建能够模拟空间微重力环境的实验系统具有重要的研究价值和应用背景。
[0003]经文献检索，中国发明专利号:200910072287.8，专利名称为:三维微重力智能气足，提出了一种机/电/气相结合的模拟复杂空间微重力环境的装置，但其结构复杂，实际应用中实现困难。陈三风，梅涛，张涛，汪小华在论文《空间微重力环境地面模拟系统的控制器设计》(见《机器人》，2008年，30卷第3期，页码201-204)中竖直方向采用气缸的组合装置来模拟失重，但这种方式没有考虑气泵的气源衰减，且气缸的自重造成试验目标本身的附加质量过大，应用范围受到很大限制。哈尔滨工程大学硕士研究生高吾益在硕士学位论文《吊丝主动重力补偿系统设计与研究》中在水平、竖直方向均采用电机驱动方式，这种设计结构复杂，特别是水平方向和竖直方向均采用电机主动控制方案，增加了控制的难度。
[0004]此外，查阅文献发现关于模拟空间微重力环境的模拟还有水浮法和自由落体运动法。水浮法将试验目标物浸泡在水中，并精确调整漂浮器的浮力，使目标物所受的向上水浮力与向下重力平衡，产生随机平衡的漂浮状态。这种方案容易受水的阻力和紊流的影响，而且成本非常高，同时要求试验期间的密封性非常好。自由落体运动法是在飞机上或者是近真空的落塔(例如著名的德国不莱梅落塔)中令试验目标做平抛运动，其缺点是成本高、试验时间短。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便、成本低的空间微重力环境地面模拟实验装置。
[0006]本发明是这样实现的:一种空间微重力环境地面模拟实验装置，包括地基、两个支撑柱、横向气浮导轨、纵向气浮导轨、滑车和失重模拟控制系统，两个支撑柱分别水平安装在地基上，横向气浮导轨安装于两个支撑柱上，纵向气浮导轨安装在横向气浮导轨上，滑车安装在纵向气浮导轨上，失重模拟控制系统安装在滑车上，滑车上安装有控制器；所述的失重模拟控制系统包括伺服电机、卷丝轮、吊丝、力传感器和飞行器，伺服电机连接卷丝轮，卷丝轮连接吊丝，吊丝连接力传感器，力传感器连接飞行器，控制器分别与力传感器、伺服电机电信号连接；当飞行器受到外作用力的作用时，吊丝张力发生变化，感应吊丝拉力的力传感器的反馈值发生变化，控制器通过力传感器的反馈值计算出控制指令，控制器输入信号为力传感器的反馈值，即吊丝的拉力，输出信号为电枢电源电压，控制指令控制伺服电机的转动来带动卷丝轮、吊丝的运动，保持吊丝张力恒等于所悬挂飞行器的重力。
[0007]本发明具有结构简单、逼真度高、操作方便、易于实现、成本低、试验时间不受限制的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明的结构示意图；
[0009]图2为本发明的失重模拟控制系统示意图；
[0010]图3为本发明的飞行器受向上碰撞时的受力图；
[0011]其中，1、地基,2、支撑柱,3、横向气浮导轨,4、滑车,5、纵向气浮导轨,6、失重模拟控制系统，7、伺服电机，8、卷丝轮，9、吊丝，10、力传感器，11、飞行器。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明进行详细的描述:
[0013]实施例1
[0014]如图1所示，一种空间微重力环境地面模拟实验装置，包括地基1、两个支撑柱2、横向气浮导轨3、纵向气浮导轨5、滑车4和失重模拟控制系统6，两个支撑柱2分别水平安装在地基4上，横向气浮导轨3安装于两个支撑柱2上，纵向气浮导轨5安装在横向气浮导轨3上，滑车4安装在纵向气浮导轨5上，失重模拟控制系统6安装在滑车4上，滑车4上安装有控制器；所述的失重模拟控制系统6包括伺服电机7、卷丝轮8、吊丝9、力传感器10和飞行器11，伺服电机7连接卷丝轮8，卷丝轮8连接吊丝9，吊丝9连接力传感器10，力传感器10连接飞行器11，控制器分别与力传感器10、伺服电机7电信号连接；当飞行器11受到外作用力的作用时，吊丝9张力发生变化，感应吊丝9拉力的力传感器10的反馈值发生变化，控制器通过力传感器的反馈值计算出控制指令，控制器输入信号为力传感器的反馈值，即吊丝9的拉力，输出信号为电枢电源电压，控制指令控制伺服电机7的转动来带动卷丝轮
8、吊丝9的运动，保持吊丝9张力恒等于所悬挂飞行器11的重力。
[0015]实施例2
[0016]根据图1、图2，本发明的工作原理是这样的:首先假定飞行器受到三维空间中一通过飞行器质心的力的作用。力在三维空间中可以等效的分解为水平分量及竖直分量。该作用力的水平分量牵引滑车做水平方向的运动，因为气浮导轨和滑车之间是近似无摩擦的，这样借助气浮导轨实现了飞行器水平方向的近似无摩擦的运动；作用力的竖直分量使感应吊丝拉力的力传感器的反馈值发生变化，从而控制驱动电机按照预定的控制规则做出相应的响应，以保证吊丝的张力不变。这样基于气浮导轨和吊丝主动控制方法就模拟出飞行器在三维空间中实现近似失重状态下的运动情况。
[0017]实施例3
[0018]结合图2、图3，失重模拟控制系统结构设计可以如图2所示，失重模拟控制系统6由电机7、卷丝轮8、吊丝9、力传感器10组成。电机7连接卷丝轮8，卷丝轮8连接吊丝9，吊丝9连接力传感器10，传感器10连接飞行器11。
[0019]失重模拟控制系统的工作过程是这样的:伺服电机的控制指令来自于放置于滑车上的控制器。当吊丝张力发生变化时，感应吊丝拉力的力传感器的反馈值发生变化，控制器通过力传感器的反馈值计算出控制指令，控制器输入信号为力传感器的反馈值，即吊丝的拉力，输出信号为电枢电源电压，控制指令控制电机的转动来带动卷丝轮、吊丝的运动，保持吊丝的张力不变。
[0020]失重模拟控制系统的具体分析与实现过程是这样的:
[0021]在最初状态，让伺服电机处于堵转状态，此时伺服电机的转速η为0，吊丝拉力等于飞行器重力；电机电磁转矩T与负载转矩Tl。相等，即
【权利要求】
1.一种空间微重力环境地面模拟实验装置，包括地基、两个支撑柱、横向气浮导轨、纵向气浮导轨、滑车和失重模拟控制系统，其特征在于:两个支撑柱分别水平安装于地基上，横向气浮导轨安装于两个支撑柱上，纵向气浮导轨安装在横向气浮导轨上，滑车安装在纵向气浮导轨上，失重模拟控制系统安装在滑车上，滑车上安装有控制器；所述的失重模拟控制系统包括伺服电机、卷丝轮、吊丝、力传感器和飞行器，伺服电机连接卷丝轮，卷丝轮连接吊丝，吊丝连接力传感器，力传感器连接飞行器，控制器分别与力传感器、伺服电机电信号连接；当飞行器受到外作用力的作用时，吊丝张力发生变化，感应吊丝拉力的力传感器的反馈值发生变化，控制器通过力传感器的反馈值计算出控制指令，控制器输入信号为力传感器的反馈值，即吊丝的拉力，输出信号为电枢电源电压，控制指令控制伺服电机的转动来带动卷丝轮、吊丝的运动，保持吊丝张力恒等于所悬挂飞行器的重力。
【文档编号】B64G7/00GK103466109SQ201310415789
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】夏红伟, 王有松, 马广程, 王常虹, 宋效正 申请人:哈尔滨工业大学