差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备的制作方法

本发明涉及航天器物理仿真领域，具体地，涉及一种差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备。

背景技术：

伴随着科技的迅速发展，航天对地观测遥感任务逐渐朝高空间分辨率和高效率方向发展，而观测遥感的高空间分辨率和高效率主要取决于卫星载荷的指向精度、稳定性和敏捷机动性能。在传统的卫星平台中，大型太阳帆板等挠性附件以及飞轮、陀螺、驱动机构等活动部件是影响卫星载荷姿态指向精度、稳定度和敏捷机动性能的主要原因。

传统卫星设计中，载荷舱与平台舱固连，其姿态跟随卫星平台进行控制，载荷舱的姿态精度主要取决于卫星平台的姿态控制精度，而卫星平台上的大型挠性附件又间接影响载荷舱的控制精度。因此采用载荷与平台固连的方式难以同时实现载荷姿态的超高稳定度、超高指向精度和超高敏捷性能。为了提高卫星载荷的指向精度和稳定性，对振动进行有效的隔离和抑制，通过采用将平台与载荷进行物理分离的双体卫星形式，进而实现载荷的高精高速运动，已成为下一代卫星平台的热点技术之一。为了实现对双体卫星平台的在轨性能验证，进行模拟失重及微干扰力矩空间环境的地面仿真实验就变得尤为重要。因此，需要提供满足运动要求的地面物理仿真地面测试系统。

专利文献cn103514792a提及一种空间六自由度气浮随动运动平台，该平台通过气浮技术实现两自由度平动和三个自由度转动，并采用液体平衡方法实现垂向随动，进而获得空间微重力环境下航天器姿态的运动模拟。但是该专利文献采用的液压驱动结构形式，由于液压油的高粘度而导致较大的粘滞阻尼干扰，同时采用单向液压缸推进与气浮运动平台的重力相平衡的开式控制方式，严重削弱了平台系统的响应频率及稳定性；专利文献cn104875907a提及一种狭窄空间重型设备运送安装六自由度气浮车，通过平面气足、前后移动自由度装置、竖直移动自由度装置和左右摆动自由度装置的组合，实现重型设备的六自由度运送安装，但是该气浮车中的垂直移动、前后翻转、左右摆动机构均采用直接接触式运动导轨，进而带来较大的摩擦力，无法满足航天器的微干扰力矩环境的地面模拟要求；专利文献cn105321398a中的一种六自由度气浮式运动模拟器，借助一个球面气浮轴承、三个平面气浮轴承和一个升降柱组件实现平台的六自由度运动，但是该专利中的升降柱组件通过钢丝绳与滑轮组的形式连接外支撑柱和平衡块，会带来较大的摩擦力干扰，且由于钢丝的弹性形变导致垂向运动控制精度低、稳定时间长。因此需要设计一种响应速度快，干扰力矩小，且适应于验证双体卫星指向精度、稳定性和敏捷机动性能的新型六自由度物理仿真地面测试装置。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备。

根据本发明提供的一种差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，包括平台舱气浮平台、载荷舱气浮平台、磁浮机构；平台舱气浮平台与载荷舱气浮平台通过磁浮机构连接，平台舱气浮平台与载荷舱气浮平台通过磁浮机构进行力传递。

优选地，所述磁浮机构包括磁浮机构线圈、磁浮机构磁钢、磁浮机构线圈支撑板、磁浮机构磁钢支撑板；

磁浮机构线圈支撑板与平台舱气浮平台紧固连接；

磁浮机构磁钢支撑板与载荷舱气浮平台紧固连接；

磁浮机构线圈与磁浮机构磁钢支撑板紧固连接；

磁浮机构磁钢与磁浮机构磁钢支撑板紧固连接。

优选地，所述平台舱气浮平台包括转动平台、气浮球轴承组件；

气浮球轴承组件与转动平台紧固连接。

优选地，所述气浮球轴承组件包括气浮球、气浮球窝、封气板；

气浮球与转动平台紧固连接；

气浮球窝上设置有形状与气浮球相匹配的凹槽，可以容纳气浮球设置在气浮球窝上；

封气板设置在气浮球窝的竖直下方，可以支撑气浮球窝和设置在气浮球窝凹槽内的气浮球。

优选地，所述平台舱气浮平台包括支撑立柱、气浮轴承结构体；

支撑立柱设置在气浮球轴承组件的下方；

气浮轴承结构体与支撑立柱竖直方向连接，驱动支撑立柱进行差动式气浮垂向运动。

优选地，所述气浮轴承结构体包括水平移动平台、设置在支撑立柱上的节流孔、气浮导向止推板、设置在气浮导向止推板竖直方向上的节流孔；

水平移动平台设置在支撑立柱的垂直下方，与支撑立柱的垂向下端部形成密闭气腔体；

气浮导向止推板设置在支撑立柱径向方向或者轴向方向。

优选地，所述的差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，包括下层气瓶、平面气浮轴承；

平面气浮轴承与气浮轴承结构体紧固连接，呈水平方向设置；

平面气浮轴承设置有多个；

下层气瓶与气浮轴承结构体相连接。

优选地，所述气浮导向止推板内孔径处环状设置径向节流孔，气浮导向止推板与支撑立柱气膜间隙密封。

优选地，所述支撑立柱竖直下端部环状设置多排径向节流孔，支撑立柱与水平移动平台气膜间隙密封。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、采用气浮球轴承结构实现六自由度非接触运动,运动干扰由空气粘性产生，摩擦力极低，且具有无限使用寿命；

2、对支撑立柱下端部与水平移动平台形成的封闭容积进行气压控制供气，对所述的气浮导向止推板与支撑立柱上端面形成的封闭容积进行气压控制供气，通过实时精确控制两者气压的差值，实现平台舱气浮平台的垂向运动部件的重力补偿，克服单方向气悬浮重力补偿支撑的低刚度以及稳定时间长问题，响应速度快、稳定性好、垂向运动高稳定性和高响应。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的载荷舱结构示意图；

图3为垂向悬浮支撑驱动示意图。

图中示出：1—平台舱气浮平台；2—载荷舱气浮平台；3—磁浮机构线圈；4—磁浮机构磁钢；5—磁浮机构线圈支撑板；6—磁浮机构磁钢支撑板；7—转动平台；8—气浮球；9—气浮球窝；10—上层气瓶；11—封气板；12—支撑立柱；13—下层气瓶；14—水平移动平台；15—平面气浮轴承；16—气浮止推导向板；17—推力器；18—径向节流孔；19—竖直方向节流孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，包括平台舱气浮平台1、载荷舱气浮平台2、磁浮机构；平台舱气浮平台1与载荷舱气浮平台2通过磁浮机构连接，平台舱气浮平台1与载荷舱气浮平台2通过磁浮机构进行力传递。

具体地，所述磁浮机构包括磁浮机构线圈3、磁浮机构磁钢4、磁浮机构线圈支撑板5、磁浮机构磁钢支撑板6；磁浮机构线圈支撑板5与平台舱气浮平台1紧固连接；磁浮机构磁钢支撑板6与载荷舱气浮平台2紧固连接；磁浮机构线圈3与磁浮机构磁钢支撑板6紧固连接；磁浮机构磁钢4与磁浮机构磁钢支撑板6紧固连接。

具体地，所述平台舱气浮平台1包括转动平台7、气浮球轴承组件；气浮球轴承组件与转动平台7紧固连接。

具体地，所述气浮球轴承组件包括气浮球8、气浮球窝9、封气板11；气浮球8与转动平台7紧固连接；气浮球窝9上设置有形状与气浮球8相匹配的凹槽，可以容纳气浮球8设置在气浮球窝9上；封气板11设置在气浮球窝9的竖直下方，可以支撑气浮球窝9和设置在气浮球窝9凹槽内的气浮球8。

具体地，所述平台舱气浮平台1包括支撑立柱12、气浮轴承结构体；支撑立柱12设置在气浮球轴承组件的下方；气浮轴承结构体与支撑立柱12竖直方向连接，驱动支撑立柱12进行差动式气浮垂向运动。

具体地，所述气浮轴承结构体包括水平移动平台14、设置在支撑立柱12上的节流孔、气浮导向止推板16、设置在气浮导向止推板16竖直方向上的节流孔；水平移动平台14设置在支撑立柱12的垂直下方，与支撑立柱12的垂向下端部形成密闭气腔体；气浮导向止推板16设置在支撑立柱12径向方向或者轴向方向。

具体地，所述的差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，还包括下层气瓶13、平面气浮轴承15；平面气浮轴承15与气浮轴承结构体紧固连接，呈水平方向设置；平面气浮轴承15设置有多个；下层气瓶13与气浮轴承结构体相连接。

具体地，所述气浮导向止推板16内孔径处环状设置径向节流孔，气浮导向止推板16与支撑立柱12气膜间隙密封。

具体地，所述支撑立柱12竖直下端部环状设置多排径向节流孔，支撑立柱12与水平移动平台14气膜间隙密封。

转动平台7通过气浮球8、气浮球窝9和封气板11组成的气浮球轴承组件可实现rx、ry和rz向非接触转动自由度运动，借助固连于水平移动平台的平面气浮轴承可实现x和y向非接触移动自由度运动，支撑立柱通过设置在支撑立柱上的节流孔与水平移动平台供气构成气浮轴承结构，实现支撑立柱的非接触气悬浮重力补偿支撑和竖直导向；

本发明通过气浮球轴承实现转动平台的rx、ry和rz自由度转动，通过平面气浮轴承实现载荷舱气浮平台和平台舱气浮平台的x和y自由度运动，支撑立柱通过设置在支撑立柱上的节流孔与水平移动平台供气组成气浮结构，实现支撑立柱的气悬浮支撑、竖直导向和竖直向上的压力控制驱动；通过气浮导向止推板设置的节流孔，实现对支撑立柱的竖直导向和竖直向下的压力控制驱动，进而实现对支撑立柱的差动式气浮垂向运动控制，具有六自由度非接触支撑驱动、稳定性高和响应快等优点，可用于双超卫星平台的姿态模拟、大摆角机动特性和动中成像地面验证等方面。本发明通过设置在平台舱气浮平台1上的磁浮机构线圈和设置在载荷舱气浮平台2上的磁浮机构磁钢4组成的磁浮机构实现双超卫星中载荷舱与平台舱的力传递，磁浮机构线圈3通过固连于磁浮机构线圈支撑板5的形式安装于平台舱气浮平台，磁浮机构磁钢4通过固连于磁浮机构磁钢支撑板6的形式安装于载荷舱气浮平台，对于平台舱气浮平台，转动平台固连于气浮球上，并通过由气浮球、气浮球窝和封气板组成气浮球轴承组件实现转动平台的rx、ry和rz转动，安装于转动平台上的上层气瓶对推力器提供供气压力，气浮球轴承设置在支撑立柱的上部，支撑立柱通过设置在支撑立柱上的节流孔与水平移动平台构成气浮轴承结构，实现支撑立柱的竖直导向，通过设置在支撑立柱垂向下端部与水平移动平台形成的封闭气腔，构成推力气缸形式对支撑立柱实现气悬浮支撑和竖直向上驱动，水平移动平台上端面设置具有对支撑立柱径向和轴向施加气体压力的气浮导向止推板，通过气浮导向止推板的竖直方向节流孔的布置，实现对支撑立柱的竖直向下驱动，通过对支撑立柱的竖直向上驱动和竖直向下驱动，实现对支撑立柱的差动式气浮垂向运动控制，通过下层气瓶提供的高压气体，对固连于水平移动平台上的多个平面气浮轴承进行供气，实现水平移动平台的x和y向移动。

所述的基于差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，沿气浮导向止推板孔径处环状设置径向节流孔，通过气浮导向止推板的径向节流孔布置，实现气浮导向止推板与支撑立柱的气膜间隙密封和导向，在支撑立柱竖直下端部环状设置多排径向节流孔，通过支撑立柱的径向节流孔布置，实现支撑立柱与水平移动平台的气膜间隙密封和导向。

所述的基于差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，对所述的支撑立柱下端部与水平移动平台形成的封闭容积进行气压控制供气，对所述的气浮导向止推板与支撑立柱上端面形成的封闭容积进行气压控制供气，通过实时精确控制两者气压的差值实现平台舱气浮平台的垂向运动部件的重力补偿。

所述的基于差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，所述的平面气浮轴承，可以采用环形平面止推小孔节流气浮轴承，多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式，且不限于以上所述的平面止推气浮轴承形式，由气浮球、气浮球窝和封气板组成的气浮球轴承组件和平面气浮轴承可以以相同的供气压力同时供气，也可以对以不同的供气压力对气浮球轴承组件和平面气浮轴承分别供气。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

基于差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，该地面仿真设备包含平台舱气浮平台1和载荷舱气浮平台2，通过设置在平台舱气浮平台1上的磁浮机构线圈3和设置在载荷舱气浮平台2上的磁浮机构磁钢4组成的磁浮机构实现双超卫星中载荷舱与平台舱的力传递，磁浮机构线圈3通过固连于磁浮机构线圈支撑板5的形式安装于平台舱气浮平台1，磁浮机构磁钢4通过固连于磁浮机构磁钢支撑板6的形式安装于载荷舱气浮平台2，对于平台舱气浮平台1，转动平台7固连于气浮球8上，并通过由气浮球8、气浮球窝9和封气板11组成气浮球轴承组件实现转动平台7的rx、ry和rz转动，安装于转动平台7上的上层气瓶10对推力器17提供供气压力，由气浮球8、气浮球窝9和封气板11组成气浮球轴承组件设置在支撑立柱12的上部，支撑立柱12通过设置在支撑立柱上的径向节流孔18与水平移动平台14构成气浮轴承结构，实现支撑立柱12的竖直导向，通过设置在支撑立柱12垂向下端部与水平移动平台14形成的封闭气腔，构成推力气缸形式对支撑立柱12实现气悬浮支撑和竖直向上驱动，水平移动平台14上端面设置具有对支撑立柱12径向和轴向施加气体压力的气浮导向止推板16，通过气浮导向止推板16的竖直方向节流孔19的布置，实现对支撑立柱12的竖直向下驱动，通过对支撑立柱12的竖直向上驱动和竖直向下驱动，实现对支撑立柱12的差动式气浮垂向运动控制，通过下层气瓶13提供的高压气体，对固连于水平移动平台14上的多个平面气浮轴承15进行供气，实现水平移动平台14的x和y向移动。

所述的基于差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，沿气浮导向止推板16内孔径处环状设置径向节流孔，通过气浮导向止推板16的径向节流孔布置，实现气浮导向止推板16与支撑立柱12的气膜间隙密封和导向，在支撑立柱12竖直下端部环状设置多排径向节流孔，通过支撑立柱12的径向节流孔布置，实现支撑立柱12与水平移动平台14的气膜间隙密封和导向。

所述的基于差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，对所述的支撑立柱12下端部与水平移动平台14形成的封闭容积进行气压控制供气，对所述的气浮导向止推板16与支撑立柱12上端面形成的封闭容积进行气压控制供气，通过实时精确控制两者气压的差值实现平台舱气浮平台1的垂向运动部件的重力补偿。

所述的基于差动式气浮垂向控制的双超卫星平台地面仿真设备，所述的平面气浮轴承15，可以采用环形平面止推小孔节流气浮轴承，多孔质气浮轴承或者其他平面止推气浮轴承形式，且不限于以上所述的平面止推气浮轴承形式，由气浮球8、气浮球窝9和封气板11组成的气浮球轴承组件和平面气浮轴承15可以以相同的供气压力同时供气，也可以对以不同的供气压力对气浮球轴承组件和平面气浮轴承15分别供气。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。