增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法
【专利摘要】本发明公开了一种增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法，本发明增速飞轮惯量模拟器，与传统的机械式(如多片杠铃型等)机械惯量模拟器相比，通过增速飞轮惯量模拟器模拟大型航天器机械惯量的方法，具有体积小、重量轻、结构简单、工作性能稳定性好、动态响应快、费效比低的特点，可大大减小对于气浮基础平台及其附属试验设备的结构和空间方面试验环境的要求，增速飞轮惯量模拟器可直接安装于转臂关节处来模拟航天器的转动惯量，同时只需在气浮基础平台两个侧面安装增速飞轮惯量模拟器即可模拟航天器的平动惯量。
【专利说明】增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法，其应用于大型航天器地面动力学物理仿真试验，属于力学、机械、控制等【技术领域】。
【背景技术】
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[0002]大型航天器如大型空间站等需要通过航天器在轨对接、转位等过程来实现，如何在地面实现全时序的地面运动学和动力学模拟，是航天器研制任务中关键和重要的必要环节。大型航天器运动具有惯量大，速度低的特点。传统的机械式(如多片杠铃型等)航天器惯量模拟器一般用于模拟旋转惯量，其旋转角速度与航天器实际转位角速度相同。为达到大型航天器转位地面模拟试验的要求，此类惯量模拟器的质量(即平动惯量)或尺寸往往非常大，不但具有较高的实施成本，而且对试验场地、设备等方面提出了苛刻要求。
【发明内容】
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[0003]本发明提出一种增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法，其能够实现大型航天器的转动惯量和平动惯量模拟，可用于航天器地面仿真的研制、验收和鉴定试验。
[0004]本发明采用如下技术方案:一种增速飞轮惯量模拟器，其包括壳体、输入轴、安装于输入轴上的增速机、增速机的输出轴以及安装于输出轴下末端飞轮，所述输出轴、增速机及飞轮均位于壳体中，所述输入轴的上末端位于壳体的上方之外。
[0005]本发明还采用如下技术方案:一种利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量模拟的方法，其包括如下步骤:
[0006]I).试验前，根据试验所要求的待模拟的在轨航天器转动惯量、航天器模拟件转动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机的增速比及飞轮转动惯量；
[0007]2).将航天器模拟件与转臂相连，转臂关节处安装有一电机，同时在转臂关节处安装增速飞轮惯量模拟器，其中电机转轴一端与增速飞轮惯量模拟器输入轴相连，另一端与转臂相连，同时，电机与增速飞轮惯量模拟器的壳体均与基座(即与地面相连的固定端)相连；
[0008]3).在转臂驱动力矩Tdiive的作用下，增速飞轮惯量模拟器输入轴通过电机转轴连同航天器模拟件一起转位，同时增速机将带动增速飞轮惯量模拟器的飞轮旋转，根据天地动力学相似原理，地面转位角加速度εground天上角加速度εspace相同，设增速飞轮惯量模拟器中飞轮惯量Jg，增速机传动比r，待模拟的在轨航天器转动惯量为Jspace，地面试验中航天器模拟件相对于电机转轴的转动惯量为Jground，则
【权利要求】
1.一种增速飞轮惯量模拟器,其特征在于:包括壳体(5)、输入轴(I)、安装于输入轴(I)上的增速机(2)、增速机的输出轴(3)以及安装于输出轴(3)下末端飞轮(4)，所述输出轴(3)、增速机(2)及飞轮⑷均位于壳体(5)中，所述输入轴⑴的上末端位于壳体(5)的上方之外。
2.一种利用如权利要求1所述的增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量模拟的方法，其特征在于:包括如下步骤 1).试验前，根据试验所要求的待模拟的在轨航天器转动惯量、航天器模拟件转动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机的增速比及飞轮转动惯量; 2).将航天器模拟件与转臂相连，转臂关节处安装有一电机，同时在转臂关节处安装增速飞轮惯量模拟器，其中电机转轴一端与增速飞轮惯量模拟器输入轴相连，另一端与转臂相连，同时，电机与增速飞轮惯量模拟器的壳体均与基座相连； 3).在转臂驱动力矩Ttive的作用下，增速飞轮惯量模拟器输入轴通过电机转轴连同航天器模拟件一起转位，同时增速机将带动增速飞轮惯量模拟器的飞轮旋转，根据天地动力学相似原理，地面转位角加速度egMund与天上角加速度esp 相同，设增速飞轮惯量模拟器中飞轮惯量JK，增速机传动比r，待模拟的在轨航天器转动惯量为Jsp.，地面试验中航天器模拟件相对于电机转轴的转动惯量为JgMund，则
3.一种利用如权利要求1所述的增速飞轮惯量模拟器实现航天器平动惯量模拟的方法，其特征在于:包括如下步骤 1).试验前，根据试验所要求的待模拟平动惯量、航天器模拟件平动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机的增速比及飞轮转动惯量； 2).提供一种气浮基础平台(7)，在所述气浮基础平台(7)上漂浮有航天器仿真器(8)，所述航天器仿真器(8)通过轴承外联两根刚性仿真器导杆(9)，在所述气浮基础平台(7)的外侧壁上设置有L型导轨(11)，在所述L型导轨(11)的两根杆上分别安装有一根齿条(10)，在所述每根齿条(10)的一末端均设置有一固定孔，所述每根齿条(10)的一侧均啮合有一齿轮(12)，所述两个齿轮(12)分别安装于两个增速飞轮惯量模拟器的输入轴(I)上，所述航天器仿真器(8)在进行平面运动时，仿真器导杆(9)无阻尼的穿过齿条(10)的固定孔，所述齿条(10)沿L型导轨(11)自由滑动，从而带动增速飞轮惯量模拟器的输入轴转动进而带动飞轮转动； 3).将两个增速飞轮惯量模拟器分别固定在地面上，气浮基础平台固定于地面上，且保持水平，设航天器仿真器平动惯量为Higround，待模拟平动惯量mspac;e，以X方向为例，记航天器仿真器X方向加速度为ag_dx，待模拟加速度为asparax，用于X方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量为JKx，Fdrivra￡为X方向驱动力，所述地面实验中航天器模拟件所需要的驱动力与在轨航天器所需要的驱动力一致，所述齿条(10)通过齿轮(12)和增速机及飞轮相连，所述齿条到飞轮的传动比为rx，该传动比rx与齿条齿轮间的传动比和增速机的增速比有关
欲使agrcundx=aspacex,只需：
同理，对y方向运动进行分析，可以得到:
其中JKy和ry分别为用于y方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量以及齿条到飞轮的传动比。
【文档编号】B64G7/00GK104071361SQ201410291394
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】文浩, 金栋平, 陈提, 余本嵩 申请人:南京航空航天大学