一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统的制作方法
【专利摘要】本发明一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统包括随动支撑架、航天器质心跟随装夹模块与控制模块，所述随动支撑架可保证航天器在低摩擦力不受重力影响的环境下调整其俯仰与偏航角；所述航天器质心跟随装夹模块可跟随航天器的滚转运动，且在航天器质心变化时，在保持航天器现有姿态不变的情况下跟随其质心，保证悬挂力与航天器的质心始终在同一直线上；所述数据采集控制模块负责系统信号传递与协调控制，使系统各模块按系统设计工作，完成对航天器的姿态随动与航天器质心变化时的质心自动跟随，具有结构简单紧凑、尺寸小、精度高等优点。
【专利说明】
一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统
所属技术领域
[0001]本发明属于航天器空间任务地面验证技术领域，具体涉及一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统。
【背景技术】
[0002]太空环境与地面实验室环境存在重大的区别，为了保证航天器空间任务的顺利完成，在地面对航天器的各种性能进行验证时，必须部分或者全部模拟出太空环境。
[0003]航天器在太空运动时处于从自由到自由的无约束微重力运动环境中，地面实验室为有重力环境，为了在地面验证航天器空间任务完成情况需保证验证时航天器的重力对其运动基本没有影响且航天器处于浮动状态或者悬挂支撑方式对其运动影响可忽略。现有的实现这个目标的手段有液浮法，失重法、气浮法、磁悬浮法与悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高;液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况;磁悬浮的方法悬浮距离受限即其航天器部分运动受限，且会产生电磁干扰;而气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中的无约束微重力环境，但气浮法一般只能提供五自由度的运动环境。此外考虑到诸如空间交会对接等空间任务，需要航天器伸出对接机构，其结构发生变化，使得航天器整体质心发生偏移的情况，现有的技术基本通过多点悬挂来实现，但系统结构复杂，增加了控制难度。
[0004]为了克服现有航天器地面试验方法不适用于航天器质心变化的情况，本发明提出一种适用于航天器结构质心变化的、结构紧凑的姿态随动系统，提高了地面验证导航、制导与控制系统的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，实现了悬挂方式基本不影响航天器的姿态调整且悬挂装置提供的力延长线始终与航天器质心重合，在航天器姿态调整时不引人附加偏心转矩，确保航天器姿态调整时不受重力的影响，当航天器质心变化时对质心进行跟踪，保证悬挂力延长线始终与航天器质心重合，完成对的航天器姿态随动与质心跟踪。
[0006]本发明的技术方案:
[0007]—种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统包括航天器、随动支撑架、航天器质心跟随装夹模块与控制模块。
[0008]所述随动支撑架可保证航天器在低摩擦力不受重力影响的环境下调整其俯仰与偏航角;所述航天器质心跟随装夹模块可跟随航天器的滚转运动，且在航天器质心变化时，在保持航天器现有姿态不变的情况下跟随其质心，保证悬挂力与航天器的质心始终在同一直线上;所述控制模块负责系统信号传递与协调控制，使系统各模块按系统设计工作，完成对航天器质心变化的跟随与近似无约束悬挂。
[0009]进一步，所述随动支撑架包括俯仰轴承、整体支撑框、推力轴承、推力轴承固定板与外部连接件，俯仰轴承安装在整体支撑框内，整体支撑框为一体结构，减少组装结构装配引入的安装误差，推力轴承通过推力轴承固定板固定其座圈连接到整体支撑框上，推力轴承的轴圈与外部连接件配合，推力轴承的安装方式为座圈在上，轴圈在下，外部连接件和整体支撑框留有一定的间隙。
[0010]进一步航天器质心跟随装夹模块包括滚动轴承、轴承纵向连接板、轴承连接板、横向连接板、摩擦轮、凸轮电机、凸轮、轴承连接板、摩擦轮电机连接板、摩擦轮电机、拉簧、竖向连接板、压簧、主固定板、转轴与制动器，其中滚动轴承、轴承连接板、轴承纵向连接板与拉簧组成滚转随动单元;摩擦轮、摩擦轮电机、摩擦轮电机连接板与压簧组成质心跟随单元；凸轮与凸轮电机组成切换单元;横向连接板、竖向连接板、主固定板、转轴与制动器组成连接单元。滚动轴承安装在轴承连接板上，两组轴承连接板由轴承纵向连接板连接成为一个整体，可跟随航天器的滚转运动，两个对称分布的纵向连接板上连接有拉簧，拉簧另一端固定在竖向连接板上;摩擦轮与摩擦轮电机电机轴连接，在摩擦轮电机的驱动下可绕自身轴线转动，摩擦轮电机安装在摩擦轮电机安装板上，摩擦轮电机安装板上端连接有压簧，压簧另一端连接在主固定板上；凸轮与凸轮电机相连，在凸轮电机的带动下可以转动，其与轴承连接板与摩擦轮电机连接板相切，通过其转动可控制滚转随动单元与质心跟随单元与航天器的接触情况，从而控制本模块跟随航天器的滚转运动或进行质心跟随，凸轮电机安装在横向连接板上;横向连接板的两端与竖向连接板相连，竖向连接板固定在主固定板上，主固定板中间固定有转轴，转轴与随动支撑架的俯仰轴承连接，航天器质心跟随装夹模块可在俯仰轴承的支撑下跟随航天器的俯仰调姿运动，转轴另一端的最外端固定有制动器，用于在保持航天器当前姿态上进行质心跟随。
[0011]进一步，所述控制模块包括倾角传感器、驱动器、采集卡与控制卡。倾角传感器安装在航天器上，其测量信息通过采集卡传递给控制卡，用来判断质心跟随单元是否跟随上航天器质心。控制模块通过切换单元控制滚转随动单元与质心跟随单元的工作，保证航天器质心变化前后其姿态调整均不受重力影响。
[0012]根据上述的机械结构和控制系统，本发明提出的一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统可实现航天器悬挂姿态调整时基本不受重力及连接方式的影响以及航天器质心位置变化时对航天器的质心跟随，其工作原理为由航天器的运动状态信息得知其运动情况，当航天器的质心未发生变化航天器只进行姿态调整运动时，滚转随动单元与随动支撑架联合可跟随航天器滚转、俯仰与偏航的调姿运动；当航天器的质心变化时，制动器将转轴锁紧，使航天器保持当前姿态，切换单元作用，凸轮转动，在拉簧的作用下，随动单元与航天器脱离连接，在压簧的作用下质心跟随单元与航天器紧密接触在摩擦轮电机的驱动下摩擦轮转动带动航天器运动，从而使悬挂力的始终与航天器质心在同一条直线上，完成对其质心的跟随，判断悬挂力是否与航天器重合的条件是，若悬挂力与航天器质心不在同一条直线上，制动器停止作用时，航天器在自身作用下会导致俯仰角发生变化，若重合则能保持当前姿态，安装在航天器上的倾角传感器可测其俯仰角是否变化，从而判断是否完成了对航天器质心的跟随。
[0013]由上述系统结构及工作原理得出工作步骤:
[0014](I)将外部连接件与外界固定；
[0015](2)将航天器安装在本发明所述系统上，调整航天器的位置，使其在初始位置时悬挂力与其质心在同一直线上；调整切换单元中凸轮的位置，确保滚转随动单元的滚动轴承与航天器紧密贴合，确保航天器牢固夹持；
[0016](3)检测系统跟随航天器姿态调整运动的情况；
[0017](4)完成以上步骤后，开启电源，开始航天器的相关验证工作，在实验验证过程中，当控制模块接收到航天器质心变化的信息时，制动器锁死转轴，控制切换模块作用，使质心跟随单元与航天器贴合随时调整航天器的悬挂位置，满足悬挂力始终与航天器的质心在同一直线上；
[0018](5)完成相关验证或者工作后，关闭电源，卸下航天器。
[0019]本发明对比已有技术方法具有以下特点:
[0020]1、结构简单紧凑、尺寸小，成本更低，维护费用小；
[0021]2、实现了对航天器质心的跟随，精度高，适用范围广；
[0022]3、悬挂时无需改变航天器的结构及添加附属装置。
【附图说明】
[0023]图1一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统。
[0024]图中标号:
[0025]I:航天器;2:随动支撑架;3:航天器质心跟随装夹模块。
[0026]图2随动支撑架:
[0027]图中标号:
[0028]201:俯仰轴承；202:整体支撑框;203:推力轴承固定板;204:推力轴承；205:外部连接件。
[0029]图3航天器质心跟随装夹模块
[0030]图中标号:
[0031 ] 301:滚动轴承；302:轴承纵向连接板;303:横向连接板;304:摩擦轮;305:凸轮电机;306:凸轮;307:轴承连接板;308:摩擦轮电机连接板;309:摩擦轮电机;310:拉簧;311:竖向连接板;312:压簧;313:主固定板;314:转轴;315:制动器;201:俯仰轴承；202:整体支撑框。
[0032]图4摩擦轮
[0033]图5—种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统工作流程图
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明做进一步说明:本发明所述系统包括航天器1、随动支撑架2和航天器质心跟随装夹模块3。随动支撑架2可保证航天器在不受重力影响的环境下调整其俯仰与偏航角;所述航天器质心跟随装夹模块3包括滚转随动单元、质心跟随单元、切换单元与连接单元，可跟随航天器I的滚转运动，且在航天器I质心变化时，锁死转轴，切换单元作用，滚转随动单元与质心跟随单元切换，根据倾角传感器的信息，在保持航天器I现有姿态不变的情况下跟随其质心，保证悬挂力与航天器的质心始终在同一直线上;所述控制模块负责系统信号传递与协调控制，使系统各模块按系统设计工作，完成对航天器质心的自动跟随和近似无约束悬挂。
[0035]具体来说，一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统包括航天器1、随动支撑架2与航天器质心跟随装夹模块3。随动支撑架2由俯仰轴承201、整体支撑框202、推力轴承固定板203、推力轴承204与外部连接件205，整体支撑框202为一体结构，其上端通过推力轴承固定板203安装有推力轴承204，推力轴承204的座圈在上与推力轴承固定板203相连，其轴圈与外部连接件205配合，如图2所示，若将外部连接件205与系统外的结构固定，则随动支撑架2可绕外部连接件205轴线转动，整体支撑框202下端安装有俯仰轴承201。航天器质心跟随装夹模块3包括滚转随动单元、质心跟随单元、切换单元与连接单元，其中滚转随动单元由滚动轴承301、轴承连接板307、轴承纵向连接板302与拉簧310组成;质心跟随单元由摩擦轮304、摩擦轮电机309、摩擦轮电机连接板308与压簧312组成;切换单元由凸轮306与凸轮电机305组成;连接单元由横向连接板303、竖向连接板311、主固定板313、转轴314与制动器315组成。滚动轴承301安装在轴承连接板307上，两组轴承连接板307在轴承纵向连接板302的固连下成为一个整体，轴承纵向连接板302上端连接有拉簧310，拉簧310的另一端连接到连接单元的竖向连接板311上，当航天器I滚转调姿时，滚转随动单元的滚动轴承301跟随航天器I的滚转运动；质心跟随单元的摩擦轮304在摩擦轮电机309的带动下可绕自身轴线转动，若此时摩擦轮304与航天器I紧密接触，则可带动航天器I运动，摩擦轮电机309安装在摩擦轮电机连接板308上，摩擦轮电机连接板308上端安装有压簧312，压簧312另一端与连接单元的主固定板313相连;切换单元的凸轮电机305安装在连接单元的横向连接板303上，凸轮306通过凸轮电机305的控制完成滚转随动单元与质心跟随单元的切换，具体的，如图3所示，若需要滚转跟随单元随动时，凸轮305距转轴最远点与滚转跟随单元的轴承连接板307相切，保证滚动轴承301与航天器I紧密贴合，若需滚转随动单元与质心跟随单元切换时即航天器I质心位置变化时，凸轮电机305带动凸轮306转动，在拉簧310作用下，滚转随动单元与航天器I脱离接触，在压簧312的作用下，质心跟随单元与航天器I紧密接触，质心跟随单元可带动航天器I运动；连接单元的横向连接板303两端分别连接用竖向连接板311，竖向连接板311连接到主固定板313上，主固定板313上安装有转轴314，转轴314与随动支撑架2的俯仰轴承201配合，转轴314另一端的末端安装有制动器315，制动器315可将转轴314锁死用以保持航天器I当前姿态，在俯仰轴承201的支撑下航天器质心跟随装夹模块3可随航天器I俯仰运动，随动支撑架2与航天器质心跟随装夹模块3可跟随航天器I绕外部连接件205的轴线做偏航调姿运动，从而完成对航天器姿态调整运动的随动与航天器质心变化时的跟随。
【主权项】
1.一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，其特征是:所述系统包括随动支撑架、航天器质心跟随装夹模块与控制模块； 所述随动支撑架包括俯仰轴承、整体支撑框、推力轴承、推力轴承固定板与外部连接件，俯仰轴承安装在整体支撑框内，整体支撑框为一体结构，推力轴承通过推力轴承固定板固定其座圈连接到整体支撑框上，推力轴承的轴圈与外部连接件配合，推力轴承的安装方式为座圈在上，轴圈在下。2.根据权利要求1所述的一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，其特征是:所述质心跟随装夹模块包括滚转随动单元、质心跟随单元与连接单元;其中滚转随动单元由滚动轴承、轴承连接板、轴承纵向连接板与拉簧组成；质心跟随单元由摩擦轮、摩擦轮电机、摩擦轮电机连接板与压簧组成;切换单元由凸轮与凸轮电机组成;连接单元由横向连接板、竖向连接板、主固定板、转轴与制动器组成。3.根据权利要求2所述的一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，其特征是:所述滚动轴承安装在轴承连接板上，两组轴承连接板由轴承纵向连接板连接成为一个整体，两个对称分布的纵向连接板上连接有拉簧，拉簧另一端固定在竖向连接板上。4.根据权利要求3所述的一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，其特征是:所述摩擦轮与摩擦轮电机电机轴连接，摩擦轮电机安装在摩擦轮电机安装板上，摩擦轮电机安装板上端连接有压簧，压簧另一端连接在主固定板上。5.根据权利要求4所述的一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，其特征是:所述凸轮与凸轮电机相连，其与轴承连接板与摩擦轮电机连接板相切，凸轮电机安装在横向连接板上;横向连接板的两端与竖向连接板相连，竖向连接板固定在主固定板上，主固定板中间固定有转轴，转轴与随动支撑架的俯仰轴承连接，转轴另一端的最外端固定有制动器。6.根据权利要求5所述的一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，其特征是:所述控制模块包括倾角传感器、驱动器、采集卡与控制卡。倾角传感器安装在航天器上，其测量信息通过采集卡传递给控制卡。7.根据权利要求6所述的一种适用于质心动态变化的航天器姿态随动系统，其特征是:系统工作步骤为: (1)将外部连接件与外界固定； (2)将航天器安装在本发明所述系统上，调整航天器的位置，使其在初始位置时悬挂力与其质心在同一直线上；调整切换单元中凸轮的位置，确保滚转随动单元的滚动轴承与航天器紧密贴合，确保航天器牢固夹持； (3)检测系统跟随航天器姿态调整运动的情况； (4)完成以上步骤后，开启电源，开始航天器的相关验证工作，在实验验证过程中，当控制模块接收到航天器质心变化的信息时，制动器锁死转轴，控制切换模块作用，使质心跟随单元与航天器贴合随时调整航天器的悬挂位置，满足悬挂力始终与航天器的质心在同一直线上； (5)完成相关验证或者工作后，关闭电源，卸下航天器。
【文档编号】B64G1/24GK105947237SQ201610410963
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】贾英民, 贾娇, 孙施浩
【申请人】北京航空航天大学