一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统的制作方法
【专利摘要】本发明一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统包括模拟航天器、空间三维主动随动单元、姿态随动及固定单元、缓冲及传感器安装单元和控制单元，空间三维主动随动单元主动跟随航天器的位置运动，并补偿航天器所受到的重力；姿态随动及固定单元可跟随航天器的姿态调整运动，并可在航天器姿态调整好后保持航天器现有姿态；缓冲及传感器安装单元包括缓冲模块和传感器安装测量模块，缓冲模块利用弹簧上的力不会瞬间改变的性质提高系统重力补偿的精度，传感器安装测量模块包括无线倾角传感器和张力传感器，为系统提供闭环控制；控制单元根据传感器的测量结果控制伺服电机的运动，主动跟随航天器的运动。
【专利说明】
一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统
所属技术领域
[0001]本发明属于航天器及探测器等空间任务地面验证技术领域，具体涉及提供航天器空间运动地面验证的六自由度微重力环境。
【背景技术】
[0002]当前，空间任务的核心内容是空间合作，空间合作主要是指包括交会对接在内的各类在轨服务，空间站的补给、修复与航天员的轮替等。这些空间任务实施的一般步骤包括:任务内容的确定，执行方案的设计，方案的地面试验验证，任务执行器的研制，方案的在轨验证，以及空间任务的最后实施六个阶段，每个阶段缺一不可。作为空间任务实施的地面验证关键部分，地面试验的目标是验证空间任务方案的合理性和技术可行性，而其成功与否在很大程度上取决于所采用的验证方法对其空间任务实施过程特征是否是真实的反映。概括地说，这些特征包括:空间任务实施过程是在微重力环境中和航天器姿态位置运动不受约束等等。而目前所采用的地面验证方法对上述特征的反映都存在明显的不足，例如:系统仿真无法实时描述任务过程;半物理仿真虽然考虑了合作目标的相对轨道运行，但是通常不涉及微重力环境的影响，且也常常仅对空间任务中的某一子系统或者特定功能进行验证，而每个子系统性能的满足并不意味着综合系统的整体性能满足。全物理仿真中考虑到重力补偿和无约束运动的常用的方法有失重法、液浮法、气浮法和悬挂法。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;气浮法一般只能提供五个自由度的运动，在竖直方向的运动受限。悬挂法所占用的空间小、不受时间空间的约束，是重力补偿常用的方法，悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿。被动重力补偿的补偿精度较低，对试验效果有较大影响;主动重力补偿能够提高补偿精度，但目前主动重力补偿方法一般通过单点悬挂提供三自由度运动空间或多点悬挂提供六自由度运动空间，针对实现航天器运动再现这个目标，三自由度运动空间显然不够，多点悬挂所提供的六自由度空间会由于结构复杂、系统难控导致试验效果不佳，因此，发展一种能够更加真实反映空间任务实施过程微重力环境无约束运动环境，对促进未来空间试验先期在地面更为精确地进行，以降低研制风险，提高可靠性，缩短研究周期，节省投资，使相关研究成果尽快进入国际领先行列，大幅度提升我国的航天能力和可持续发展的潜力是非常必要的。
【发明内容】
[0003]本发明提出了一种单点悬挂即可提供航天器六自由度运动空间的地面补偿验证系统，降低了控制的复杂度，提高了系统可靠性。
[0004]本发明的技术方案:
[0005]本发明一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统包括模拟航天器、空间三维主动随动单元、姿态随动及固定单元、缓冲及传感器安装单元和控制单元。模拟航天器用来验证本发明的重力补偿精度及航天器运动及姿态调整的跟随效果;空间三维主动随动单元主动跟随航天器的位置运动，并补偿航天器所受到的重力；姿态随动及固定单元可跟随航天器的姿态调整运动，并可在航天器姿态调整好后保持航天器现有姿态；缓冲及传感器安装单元包括缓冲模块和传感器安装测量模块，缓冲模块利用弹簧上的力不会瞬间改变的性质提高系统重力补偿的精度，传感器安装测量模块包括无线倾角传感器和张力传感器，为系统提供闭环控制;控制单元根据传感器的测量结果控制伺服电机的运动，主动跟随航天器的运动。
[0006]所述模拟航天器包括航天器底板、航天器主体、航天器对接端与对接杆，航天器底板与航天器对接端安装在航天器主体的两侧，对接杆安装在航天器对接端，对接杆由两部分组成，大端为螺纹端用以和航天器对接端连接，小端为光杆用以和没有安装对接杆的另一模拟航天器的航天器对接端对接。
[0007]所述空间三维主动随动单元包括三角固定块、立柱、筋板、横梁、横向线性模组及横向电机、纵向线性模组及纵向电机与竖向线性模组及竖向电机。三角固定块连接在立柱侧面用来与外界连接固定立柱，三角固定块、立柱、筋板与横梁构成了空间三维主动随动单元的三角支撑结构，选用三角支撑结构可扩大模拟航天器的运动范围；横向线性模组及横向电机安装的横梁上，在横向电机的带动下其上的滑块可沿横向线性模组运动;纵向线性模组及纵向电机安装在横向线性模组及横向电机的滑块上，纵向线性模组的滑块在纵向电机的带动下可沿纵向线性模组运动;竖向线性模组及竖向电机安装在纵向线性模组及纵向电机的滑块上，竖向线性模组的齿条在竖向电机的带动下可沿竖向运动；则齿条可在横向线性模组、纵向线性模组及竖向线性模组及其相关电机的带动下实现空间的三维运动。
[0008]所述姿态随动及固定单元包括滚转模块、俯仰及姿态保持模块、悬挂架与偏航模块，滚转模块直接与航天器连接用以固定航天器并跟随航天器的滚转运动，滚转模块连接到俯仰及姿态保持模块上，俯仰及姿态保持模块连接在悬挂架的侧板上并可跟随航天器的俯仰运动并可保持航天器的现有姿态，偏航模块连接在悬挂架的横梁上可跟随航天器的偏航运动。
[0009]所述缓冲及传感器安装单元包括缓冲模块及传感器安装测量模块，缓冲模块包括弹簧下端固定块、压簧、内轴、弹簧外套与加长型直线轴承，加长型直线轴承安装在弹簧外套上端，其内壁与内轴配合，保证内轴相对于弹簧外套无晃动微摩擦运动，压簧上端与加长型直线轴承下端接触，下端通过弹簧下端固定块固定，当内轴相对于弹簧外套运动时，压簧的压缩长度随之变化;传感器安装测量模块包括传感器安装板、十字万向节、无线倾角传感器、电池安装板、张力传感器连接柱与张力传感器，无线倾角传感器安装在传感器安装板上，传感器安装板安装在内轴上，内轴通过销钉与十字万向节下端固连，十字联轴器的上端通过张力传感器连接柱连接到张力传感器上，张力传感器连接柱上还安装有电池安装板。
[0010]所述控制单元包括电机驱动器、无线接收器及控制卡，无线接收器用以接收无线倾角传感器的信息，控制卡对各种信号进行处理通过电机驱动器控制相关电机的运动，主动跟随航天器的运动并补偿航天器的重力。
[0011]所述模拟航天器安装在姿态随动及固定单元的滚动模块上，姿态随动及固定单元与缓冲及传感器安装单元连接，缓冲及传感器安装单元连接到空间三维随动单元的齿条上。
[0012]本发明一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统的工作原理及工作过程为:当航天器进行姿态调整时，姿态随动及固定单元跟随航天器的姿态调整运动，姿态随动及固定单元保证了航天器在其旋转运动的轴线对称的两侧质量均匀分布，航天器本身的重力对其姿态调整运动无影响；当航天器进行轨道机动，调整其位置时，航天器水平运动带动缓冲及传感器安装单元绕十字万向节摆动，无线倾角传感器将测量得到的偏转角度传递给控制卡，控制卡通过电机驱动器控制横向与纵向的电机转动带动对应的线性模组运动消除偏转角度跟随航天器的水平运动，当航天器竖向运动时，与之刚性连接的弹簧外套相对内轴运动，压簧压缩长度变化其上的力随之变化，张力传感器测得这一变化传递给控制卡，控制卡控制电机驱动器控制竖向电机转动带动竖向线性模组运动消除弹簧压缩量的变化从而跟随航天器的竖向运动并补偿航天器所受的重力。
[0013]本发明对比已有的技术有如下特点:
[0014]1、加入了弹簧缓冲装置提高了系统的补偿精度；
[0015]2、单点悬挂即可提供航天器六自由度的运动环境并补偿航天器受到的重力；
[0016]3、加入了姿态保持模块，扩展了本发明的应用范围；
[0017]4、采用无线倾角传感器减小了接线对系统运动的干扰。
【附图说明】
[0018]图1是一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统的整体视图及正视图。
[0019]图中标号:1:模拟航天器;2:姿态随动及固定单元;3:缓冲及传感器安装单元;4:空间三维随动单元。
[0020]图2是模拟航天器。
[0021 ]图中标号:11:航天器底板;12:航天器主体:13:航天器对接端;14:对接杆。
[0022]图3是姿态随动及固定单元。
[0023]图中标号:21:滚转模块;22:俯仰及姿态保持模块;23:悬挂架;24:偏航模块。
[0024]图4是滚转模块。
[0025]图中标号:211:内接板固定螺栓;212:滚转轴承固定顶丝;213:滚转轴承内接连接板;214:滚转轴承;215:滚转轴承内固定;216:弧面垫片;217:固定螺母。
[0026]图5是俯仰及姿态保持模块。
[0027]图中标号:221:电磁制动;222:俯仰连接板;223:俯仰轴承;224:大轴承外固定框。
[0028]图6是偏航模块。
[0029]图中标号:241:偏航外固定；242:偏航内轴；243:偏航角接触轴承；244:偏航外接端。
[0030]图7是缓冲及传感器安装单元。
[0031]图中标号:31:缓冲模块;32:传感器安装测量模块;311:弹簧下端固定块;312:压簧;313:内轴;314:弹簧外套;315:加长型直线轴承;321:传感器安装板;322:十字万向节；323:无线倾角传感器;324:电池安装板;325:张力传感器连接柱;326:张力传感器。
[0032]图8是空间三维随动单元。
[0033]图中标号:41:三角固定块;42:立柱;43:筋板;44:横梁;45:横向线性模组及横向电机;46:纵向线性模组及纵向电机;47竖向线性模组及竖向电机。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0035]结合图1，本发明一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统包括模拟航天器1、姿态随动及固定单元2、缓冲及传感器安装单元3与空间三维随动单元4。模拟航天器I通过姿态随动及固定单元2连接到缓冲及传感器安装单元3上，缓冲及传感器安装单元3连接到空间三维随动单元4上。
[0036]结合图2，模拟航天器I包括航天器底板11、航天器主体12、航天器对接端13与对接杆14，航天器底板I与航天器对接端13安装在航天器主体12的两端，对接杆14安装在航天器对接端13的端面螺纹孔上。
[0037]结合图3?图6，姿态随动及固定单元2包括滚转模块21、俯仰及姿态保持模块22、悬挂架23与偏航模块24。模拟航天器I通过滚转模块21与姿态随动及固定单元2连接，滚转模块21与俯仰及姿态保持模块22连接，俯仰及姿态保持模块22安装在悬挂架23的两侧，悬挂架23上端横梁正中位置安装有偏航模块24。滚转模块21包括内接板固定螺栓211、滚转轴承固定顶丝212、滚转轴承内接连接板213、滚转轴承214、滚转轴承内固定215、弧面垫片216与固定螺母217，具体连接关系见图4;俯仰及姿态保持模块22包括电磁制动221、俯仰连接板222、俯仰轴承223与大轴承外固定框224，具体连接关系见图5;偏航模块24包括偏航外固定241、偏航内轴242、偏航角接触轴承243与偏航外接端245，具体连接关系见图6。
[0038]结合图3?图6模拟航天器I与姿态随动及固定单元2的连接安装步骤为:
[0039]I)将滚转轴承内固定215与航天器主体12连接，通过弧面垫片216与固定螺母217初步固定上述之间的连接位置，另一侧同样的方式安装，保证两侧的滚转轴承内固定215的螺纹轴轴线在同一直线上；
[0040]2)将航天器对接端13与航天器主体12连接，将航天器底板11安装到航天器主体12上，将对接杆14安装到航天器对接端13上；
[0041 ] 3)将滚转轴承214的内圈与滚转轴承内固定215配合，通过内接板固定螺栓211将滚转轴承内连接板213固定到滚转轴承内固定215的螺纹孔上，通过滚转轴承固定顶丝212将滚转轴承214内圈与滚转轴承内连接板213与滚转轴承内固定215固连，另一侧以同样的步骤安装；
[0042]4)将俯仰轴承223安装到俯仰连接板222内；
[0043]5)将大轴承外固定框224固定到滚转轴承214的外圈上，并将大轴承外固定框224固定到俯仰轴承223上；
[0044]6)将俯仰连接板222固定到悬挂架23上；
[0045]7)对另外一侧重复步骤4)?6);
[0046]8)将悬挂架23的横梁水平固定，两侧同时调整滚转轴承内固定215与航天器主体12的滚转定位槽的连接位置，直到模拟航天器I保持水平；
[0047]9)拆下模拟航天器I的航天器底板11，拧紧固定螺母217，将滚转轴承内固定215与航天器主体12固连，将航天器底板11安装到航天器主体12上；
[0048]1)将两侧的电磁制动221安装在对应的俯仰连接板212上；
[0049]11)将偏航内轴242与偏航角接触轴承243连接，将偏航角接触轴承243安装到偏航外固定241内，将偏航外接端244安装到偏航内轴242上，其下端与偏航角接触球轴承243内圈侧面紧固，形成偏航单元24;
[0050]12)将偏航单元24安装到悬挂架23的上端。
[0051]结合图7缓冲及传感器安装单元3包括缓冲模块31与传感器安装测量模块32，缓冲模块31包括弹簧下端固定块311、压簧312、内轴313、弹簧外套314与加长型直线轴承315;压簧312安装在弹簧外套314内，其上端与安装在弹簧外套314内的加长型直线轴承315下端接触，其下端通过弹簧下端固定块311连接到与加长型直线轴承315内侧配合的内轴313上，当弹簧外套314相对内轴313运动时，压簧312的压缩量随之改变。传感器安装测量模块32包括传感器安装板321、十字万向节322、无线倾角传感器323、电池安装板324、张力传感器连接柱325与张力传感器326，无线倾角传感器323安装在传感器安装板321上，传感器安装板321固定在缓冲模块31的内轴313上，内轴313的上端与十字万向节322的下端连接，十字万向节322的上端通过张力传感器连接柱325连接到张力传感器326上，张力传感器连接柱325上还安装有电池安装板324。无线倾角传感器323用以测量内轴313相对于十字万向节322固定端的摆角，即相对于水平面的倾斜角度，张力传感器326用以测量压簧312上力的变化。
[0052]结合图8，空间三维随动单元4包括三角固定块41、立柱42、筋板43、横梁44、横向线性模组及横向电机45、纵向线性模组及纵向电机46与竖向线性模组及竖向电机47。三角固定块41安装在立柱42的两侧用以和外界固定，三角固定块41、立柱42、筋板43与横梁44构成本单元的支撑架，横向线性模组及横向电机45安装在横梁44上，纵向线性模组及纵向电机46安装在横向线性模组及横向电机45的滑块上，竖向线性模组及竖向电机47安装在纵向线性模组及纵向电机46的滑块上。
[0053]结合图1?图3与图7?图8，各单元之间的连接顺序为模拟航天器I安装在姿态随动及固定单元2上，姿态随动及固定单元2通过偏航模块24偏航外接端244与缓冲及传感器安装单元3的弹簧外套314连接，缓冲及传感器安装单元3通过张力传感器326的连接件与空间三维随动单元4的竖向线性模组及竖向电机47的齿条下端连接。当模拟航天器I水平运动时带动缓冲模块31绕传感器安装测量模块32的十字轴万向节322摆动，无线倾角传感器323测得角度变化将信息传递给控制单元，控制单元经过信息处理驱动电机驱动器控制横向线性模组及横向电机45与纵向线性模组及纵向电机46运动消除角度变化主动跟随模拟航天器I的水平运动；当模拟航天器I竖向运动时带动缓冲单元31的弹簧外套314相对内轴313运动，压簧312上的力随之变化，张力传感器326将测量得到的数值传递给控制单元，控制单元经过处理控制竖向线性模组及竖向电机运动使张力传感器326的数值恢复至设定的数值，从而跟随模拟航天器I的竖向运动并补偿其重力。当模拟航天器I姿态调整时，姿态随动及固定单元2可跟随模拟航天器I的姿态调整运动，为减小外界干扰，模拟航天器I完成姿态调整后进行对接时，可以通过俯仰及姿态保持模块22的电磁制动221保持航天器的现有姿态。
【主权项】
1.一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统，其特征是:系统包括模拟航天器、空间三维主动随动单元、姿态随动及固定单元、缓冲及传感器安装单元和控制单元，缓冲及传感器安装单元包括缓冲模块和传感器安装测量模块，传感器安装测量模块包括无线倾角传感器和张力传感器。2.根据权利I要求所述的一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统，其特征是:空间三维主动随动单元包括三角固定块、立柱、筋板、横梁、横向线性模组及横向电机、纵向线性模组及纵向电机与竖向线性模组及竖向电机，三角固定块连接在立柱侧面用来外界连接固定立柱，三角固定块、立柱、筋板与横梁构成了空间三维主动随动单元的三角支撑结构，横向线性模组及横向电机安装的横梁上，纵向线性模组及纵向电机安装在横向线性模组及横向电机的滑块上，竖向线性模组及竖向电机安装在纵向线性模组及纵向电机的滑块上。3.根据权利I要求所述的一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统，其特征是:所述姿态随动及固定单元包括滚转模块、俯仰及姿态保持模块、悬挂架与偏航模块，模拟航天器通过滚转模块与姿态随动及固定单元连接，滚转模块与俯仰及姿态保持模块连接，俯仰及姿态保持模块安装在悬挂架的两侧，悬挂架上端横梁正中位置安装有偏航模块，滚转模块包括内接板固定螺栓、滚转轴承固定顶丝、滚转轴承内接连接板、滚转轴承、滚转轴承内固定、弧面垫片与固定螺母;俯仰及姿态保持模块包括电磁制动、俯仰连接板、俯仰轴承与大轴承外固定框;偏航模块包括偏航外固定、偏航内轴、偏航角接触轴承与偏航外接端。4.根据权利3要求所述的一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统，其特征是:模拟航天器与姿态随动及固定单元的连接安装步骤为: 1)将滚转轴承内固定与航天器主体连接，通过弧面垫片与固定螺母初步固定上述之间的连接位置，另一侧同样的方式安装，保证两侧的滚转轴承内固定的螺纹轴轴线在同一直线上； 2)将航天器对接端与航天器主体连接，将航天器底板安装到航天器主体上，将对接杆安装到航天器对接端上； 3)将滚转轴承的内圈与滚转轴承内固定配合，通过内接板固定螺栓将滚转轴承内连接板固定到滚转轴承内固定的螺纹孔上，通过滚转轴承固定顶丝将滚转轴承内圈与滚转轴承内连接板与滚转轴承内固定固连，另一侧以同样的步骤安装； 4)将俯仰轴承安装到俯仰连接板内； 5)将大轴承外固定框固定到滚转轴承的外圈上，并将大轴承外固定框固定到俯仰轴承上; 6)将俯仰连接板固定到悬挂架上； 7)对另外一侧重复步骤4)?6); 8)将悬挂架的横梁水平固定，两侧同时调整滚转轴承内固定与航天器主体的滚转定位槽的连接位置，直到模拟航天器保持水平； 9)拆下模拟航天器的航天器底板，拧紧固定螺母，将滚转轴承内固定与航天器主体固连，将航天器底板安装到航天器主体上； 10)将两侧的电磁制动安装在对应的俯仰连接板上； 11)将偏航内轴与偏航角接触轴承连接，将偏航角接触轴承安装到偏航外固定内，将偏航外接端安装到偏航内轴上，其下端与偏航角接触球轴承内圈侧面紧固，形成偏航单元； 12)将偏航单元安装到悬挂架的上端。5.根据权利I要求所述的一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统，其特征是:所述缓冲及传感器安装单元包括缓冲模块及传感器安装测量模块，缓冲模块包括弹簧下端固定块、压簧、内轴、弹簧外套与加长型直线轴承，加长型直线轴承安装在弹簧外套上端，其内壁与内轴配合，压簧上端与加长型直线轴承下端接触，下端通过弹簧下端固定块固定，传感器安装测量模块包括传感器安装板、十字万向节、无线倾角传感器、电池安装板、张力传感器连接柱与张力传感器，无线倾角传感器安装在传感器安装板上，传感器安装板安装在内轴上，内轴通过销钉与十字万向节下端固连，十字联轴器的上端通过张力传感器连接柱连接到张力传感器上，张力传感器连接柱上还安装有电池安装板。6.根据权利2或3或5要求所述的一种悬挂式六自由度微重力环境模拟系统，其特征是:模拟航天器安装在姿态随动及固定单元上，姿态随动及固定单元通过偏航模块的偏航外接端与缓冲及传感器安装单元的弹簧外套连接，缓冲及传感器安装单元通过张力传感器的连接件与空间三维随动单元的竖向线性模组及竖向电机的齿条下端连接。
【文档编号】B64G7/00GK106005497SQ201610414344
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】贾英民, 贾娇, 孙施浩, 杜军平
【申请人】北京航空航天大学