一种标准立方星微小空间科学实验装置

本发明属于航天技术领域，涉及一种标准立方星微小空间科学实验装置。

背景技术：

纵观四十多年的历史，卫星的发展经历从小卫星到大型卫星又到小卫星的道路。相对于大型卫星，小型卫星具有重量轻、体积小、成本低、研制周期短、轨道底、发射容易、生存能力强、风险小、技术含量高等优点。故许多高校、研究所、企业均采用微小卫星所搭载的微小空间科学实验装置进行实验研究。现阶段微小空间科学实验装置研制周期长、标准规格不统一、不能进行模块化生产、空间利用率低、不能整体评测航天材料。因此需要一种标准立方星微小空间科学实验装置。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明拟解决的问题是，提供一种标准立方星微小空间科学实验装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种标准立方星微小空间科学实验装置，其特征在于，该实验装置包括四杆机构、横向直流无刷电机、竖向直流无刷电机、一号摄像头、激光位移传感器、二号摄像头、红外温度传感器、三号摄像头、三维力传感器、摩擦头、加速度传感器、振动片、摩擦盘及基架；

所述基架由四根主梁、六根辅梁、底板及侧板构成，四根主梁竖直并分前后两组，前后两组之间隔开并正对排布，每组均为两根且两根之间隔开并左右对齐设置，形成一个矩形的同一朝向的四条棱的结构；后侧的一组两根主梁之间的顶端通过一根辅梁连接；在前、后两组主梁之间的右侧的上、下端各通过一根辅梁连接，使前、后两组主梁之间的右侧实现连接；在前、后两组主梁之间的左侧的上、中偏上及下端各通过一根辅梁连接，使前、后两组主梁之间的左侧实现连接；侧板通过打孔装螺钉的方式设置在前侧的一组主梁的外侧面上，底板设置在前、后两组主梁的底部的外侧面上，形成前侧面及底面封闭、其它面无面板的六面体框架结构的基架；

在基架的后侧的一组两根主梁之间的两端从上到下依次平行固定设置有：辅梁、四杆横梁、摩擦横梁、摩擦盘横梁、激光位移传感器横梁；所述四杆机构包括主动杆、连杆、从动杆、四杆主动架、四杆从动架；四杆主动架设置于基架的内部，且其后部固定在四杆横梁的右侧；

振动片设置在基架的内部，其两端分别固定在四杆横梁的左侧及摩擦横梁的左侧，振动片与四杆横梁及摩擦横梁均垂直；振动片的中部通过打孔装螺钉的方式安装有一个加速度传感器；连杆的中部通过打孔装螺钉的方式安装有一个加速度传感器；四杆从动架设置于基架的内部，且其后部固定在摩擦横梁的右侧；

横向直流无刷电机横向固定安装在四杆主动架的前部，主动杆的一端通过顶丝固定于横向直流无刷电机的输出轴上，连杆的一端与主动杆的另一端用顶丝连接且可以保持相对转动，从动杆的一端与连杆的另一端用顶丝连接且可以保持相对转动，从动杆的另一端与四杆从动架的前部用顶丝连接且能保持相对转动；

摩擦轴承座的后部固定于摩擦盘横梁上，摩擦轴承安装于摩擦轴承座内部，摩擦盘安装于摩擦轴承的内部，通过卡簧固定摩擦盘与摩擦轴承，摩擦轴承座、摩擦轴承、摩擦盘的轴心在同一条直线上；

竖向直流无刷电机竖向固定于摩擦电机座的前部，摩擦电机座的后部固定于摩擦横梁上，摩擦盘的中部通过顶丝固定于竖向直流无刷电机的输出轴，且摩擦盘的中轴线与竖向直流无刷电机的输出轴的中轴线重合；

竖向直流无刷电机位于摩擦盘的轴向的上侧，摩擦头设置于摩擦盘的轴向的下侧，摩擦头的顶部与摩擦盘的底部相接触；摩擦头与摩擦盘之间有一定预紧力，且能保持相对转动；摩擦头的下部固定于三维力传感器上，三维力传感器固定于测力传感器悬臂上，测力传感器悬臂垂直于基架左侧两根主梁设置并固定于其内侧；在摩擦头的右侧的基架主梁上通过摄像头横梁固定设置有一号摄像头，摩擦头在其拍摄范围之内；激光位移传感器位于一号摄像头后下方，并固定在激光位移传感器横梁上，其激光接收与发射端正对摩擦盘；

在三维力传感器的下方设置有三号摄像头，其固定在基架左侧下方的辅梁的内侧，其拍摄范围为装置的外侧，可用于观测外太空环境与卫星本体；

红外温度传感器固定在底板左侧，且其温度感应端正对摩擦盘；二号摄像头固定于底板的右侧，摩擦盘和四杆机构在其拍摄范围之内。

本发明有益效果在于：本发明提出的实验装置，能够整体评测航天材料，分区设置摩擦磨损实验、结构振动实验、机构性能退化实验所需要的荷载，模块化设计，标准化零件安装；该实验装置整体为同一材料加工，可对相应的航天材料进行测评，该实验装置具备研究航天材料的材料级变化规律、部件级变化规律、系统级变化规律的基础。

该实验装置采用侧板、底板和主梁为主要支撑，通过辅梁辅助支撑，既充分考虑发射过程中复杂力学环境条件增加结构强度稳定性，又尽量减少不必要的结构部件降低研制成本，提高经济效益并降低装置重量。该实验装置在2u的载荷空间内，考虑机构散热、线路排布、机构运行空间等因素，优化结构的整体化布局和紧凑化设计，实现了三个不同的实验模块安装。

附图说明

图1为本发明标准立方星微小空间科学实验装置一种实施例的主视图(已去掉侧板27)；

图2为本发明标准立方星微小空间科学实验装置一种实施例的右视结构示意图；

图3为本发明标准立方星微小空间科学实验装置一种实施例的左视结构示意图；

图4为本发明标准立方星微小空间科学实验装置一种实施例的后视结构示意图；

图5为本发明标准立方星微小空间科学实验装置一种实施例的摩擦轴承座、摩擦轴承与摩擦盘的装配示意图(局部剖视，其中，摩擦轴承座为剖去一定弧度的余下部分的主视图，摩擦轴承为其外圈部分剖去一定弧度的余下部分的主视图，两者剖去部分的弧度角相同)；

图6为本发明标准立方星微小空间科学实验装置一种实施例的摩擦轴承座俯视结构示意图；

图7为本发明标准立方星微小空间科学实验装置一种实施例的摩擦盘的结构示意图；

图中：1、横向直流无刷电机；2、四杆主动架；3、主动杆；4、连杆；5、四杆从动架；6、从动杆；7、主梁；8、摩擦盘横梁；9、摩擦轴承座；10、一号摄像头；11、激光位移传感器；12、二号摄像头；13、底板；14、红外温度传感器；15、三号摄像头；16、三维力传感器；17、摩擦头；18、摩擦横梁；19、竖向直流无刷电机；20、加速度传感器；21、振动片；22、辅梁；23、定位套筒；24、角连接件；25、摄像头底板；26、摄像头横梁；27、侧板；28、摩擦盘；29、测力传感器悬臂；30、摩擦电机座；31、四杆横梁；32、激光位移传感器横梁；33、摩擦轴承。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供一种标准立方星微小空间科学实验装置，其特征在于，该实验装置包括四杆机构、横向直流无刷电机1、竖向直流无刷电机19、一号摄像头10、激光位移传感器11、二号摄像头12、红外温度传感器14、三号摄像头15、三维力传感器16、摩擦头17、加速度传感器20、振动片21、摩擦盘28及基架。

所述基架由四根主梁7、六根辅梁22、底板13及侧板27构成，四根主梁7竖直并分前后两组，前后两组之间隔开并正对排布，每组均为两根且两根之间隔开并左右对齐设置，形成一个矩形的同一朝向的四条棱的结构；后侧的一组两根主梁7之间的顶端通过一根辅梁22连接；在前、后两组主梁之间的右侧的上、下端各通过一根辅梁22连接，使前、后两组主梁之间的右侧实现连接；在前、后两组主梁之间的左侧的上、中偏上及下端各通过一根辅梁22连接，使前、后两组主梁之间的左侧实现连接；侧板27通过打孔装螺钉的方式设置在前侧的一组主梁的外侧面上，底板13设置在前、后两组主梁的底部的外侧面上，形成前侧面及底面封闭、其它面无面板的六面体框架结构的基架。底板13与前、后两组主梁的底部之间分别通过角连接件24固定。

在基架的后侧的一组两根主梁7之间的两端从上到下依次平行固定设置有：辅梁22、四杆横梁31、摩擦横梁18、摩擦盘横梁8、激光位移传感器横梁32；所述四杆机构包括主动杆3、连杆4、从动杆6、四杆主动架2、四杆从动架5；四杆主动架2设置于基架的内部，且其后部固定在四杆横梁31的右侧；振动片21设置在基架的内部，其两端分别固定在四杆横梁31的左侧及摩擦横梁18的左侧，振动片21与四杆横梁31及摩擦横梁18均垂直；振动片21的中部通过打孔装螺钉的方式安装有一个加速度传感器20；优选的，振动片21为两个，两者平行的设置在四杆横梁31的左侧及摩擦横梁18的左侧，且两者的中部均分别设置有一个加速度传感器20。连杆4的中部通过打孔装螺钉的方式安装有一个加速度传感器20。四杆从动架5设置于基架的内部，且其后部固定在摩擦横梁18的右侧；

横向直流无刷电机1横向固定安装在四杆主动架2的前部，主动杆3的一端通过顶丝固定于横向直流无刷电机1的输出轴上，连杆4的一端与主动杆3的另一端用顶丝连接且可以保持相对转动，从动杆6的一端与连杆4的另一端用顶丝连接且可以保持相对转动，从动杆6的另一端与四杆从动架5的前部用顶丝连接且能保持相对转动。

摩擦轴承座9的后部固定于摩擦盘横梁8上，摩擦轴承33安装于摩擦轴承座9内部，摩擦盘28安装于摩擦轴承33的内部，通过卡簧固定摩擦盘28与摩擦轴承33，摩擦轴承座9、摩擦轴承33、摩擦盘28的轴心在同一条直线上。

竖向直流无刷电机19竖向固定于摩擦电机座30的前部，摩擦电机座30的后部固定于摩擦横梁18上，摩擦盘28的中部通过顶丝固定于竖向直流无刷电机19的输出轴，且摩擦盘28的中轴线与竖向直流无刷电机19的输出轴的中轴线重合。

竖向直流无刷电机19位于摩擦盘28的轴向的上侧，摩擦头17设置于摩擦盘28的轴向的下侧，摩擦头17的顶部与摩擦盘28的底部相接触；摩擦头17与摩擦盘28之间有一定预紧力，且能保持相对转动。摩擦头17的下部固定于三维力传感器16上，三维力传感器16固定于测力传感器悬臂29上，测力传感器悬臂29垂直于基架左侧两根主梁7设置并固定于其内侧；在摩擦头17的右侧的基架主梁上通过摄像头横梁26固定设置有一号摄像头10，摩擦头17在其拍摄范围之内；激光位移传感器11位于一号摄像头10后下方，并固定在激光位移传感器横梁32上，其激光接收与发射端正对摩擦盘28。

在三维力传感器16的下方设置有三号摄像头15，其固定在基架左侧下方的辅梁22的内侧，其拍摄范围为装置的外侧，可用于观测外太空环境与卫星本体。

红外温度传感器14固定在底板13左侧，且其温度感应端正对摩擦盘28；二号摄像头12固定于底板13的右侧，其拍摄范围为摩擦盘28和四杆机构。

底板13及侧板27用于部分封闭装置，且侧板27作为电子元器件的电路安装载体；

所述加速度传感器20型号为eval-adxl356bz，横向直流无刷电机1与竖向直流无刷电机19型号均为216000+118186/273271，激光位移传感器11的型号为optoncdtild1420-10，三维力传感器16的型号为gr303，一号摄像头10、二号摄像头12、三号摄像头15的型号均为qr-usb130w01mt。

本发明实验装置能够进行摩擦磨损实验、结构振动实验、机构性能退化实验，其工作原理与工作流程是：

摩擦磨损的测试过程：竖向直流无刷电机19驱动摩擦盘28旋转与摩擦头17之间产生摩擦，由三维力传感器16测量处于摩擦状态时摩擦头17所受x、y、z三个方向所受力，由激光位移传感器11测量摩擦头17与摩擦盘28之间产生的划痕深度，由一号摄像头10横向观测处于摩擦状态时摩擦头17的运动轨迹与运动状态，二号摄像头12纵向观测处于摩擦状态摩擦盘28运动状态，由红外温度传感器14测量处于摩擦状态时摩擦盘28温度变化。

结构振动的测试过程：横向直流无刷电机1驱动四杆机构的主动杆3运转，带动四杆机构整体运行，由连杆4上的加速度传感器20测量四杆机构运行产生的振动加速度，由二号摄像头12记录四杆机构运行状态。

机构性能退化的测试过程：振动片21对摩擦磨损的测试过程及结构振动的测试过程中产生的脉冲激励进行感应，由振动片21上的加速度传感器20进行参数测量。

通过对摩擦磨损实验数据分析处理来探究航天材料在空间无重力环境下材料级变化规律。通过对结构振动试验于机构性能退化试验数据分析处理来探究航天材料在空间无重力环境下部件级变化规律。该空间实验载荷整体采用同一种实验材料进行加工制造，其空间实验载荷本身为一整体，探究航天材料在空间无重力环境下系统级变化规律。

本发明设计的一种标准立方星微小空间科学实验装置，其技术方案内容仅涉及到装置载荷的设计与布局，各实验过程的控制细节不在本发明的技术范围之内。

本发明未述及之处适用于现有技术。