一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法，属于微低重力模拟试验领域，装置包括近零刚度支承组件、运动跟随组件和负载设备质量监测组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，负载设备质量监测组件与变质量负载相连，变质量负载固定或者铰接于近零刚度支承组件上，负载设备质量监测组件包括负载设备控制器和负载质量传感单元，负载设备控制器与负载质量传感单元相连，负载设备传感单元用于实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，从而控制进行相应的补偿。本发明专利技术装置和方法响应精度高、速度快，装置行程更大，用于在大行程内实现高保真、变质量垂向重力环境模拟。力环境模拟。力环境模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法


[0001]本专利技术属于航天工程微低重力模拟试验领域，更具体地，涉及一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法。

技术介绍

[0002]航天器设计研发成本和在轨执行任务的风险较高，为了确保航天器的运行可靠性和安全性，发射升空前必须在地面进行航天器件的性能验证，因此需要模拟高保真的微低重力环境。
[0003]查阅文献发现常用的微低重力环境模拟方法按原理分为：运动法模拟微重力和力平衡法模拟微重力，运动法模拟微重力包括落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等方式，力平衡法模拟微重力包括气浮法、水浮法、悬吊法、静平衡机构法、电磁平衡法等。
[0004]其中静平衡法的装置结构精巧，易于实现，可实现多自由度微重力模拟，附加惯性效应小，缺点是微重力模拟精度易受弹簧刚度等因素影响。
[0005]此外现有静平衡法微低重力环境模拟装置主要是采用恒力气缸进行重力的卸载，达到微低重力环境模拟，但是由于气体强可压缩性带来的非线性控制和时滞问题，严重影响微低重力环境模拟的精度和响应速度，无法满足航天器的微低重力环境模拟需求。其次，在微低重力环境模拟过程中，负载设备可能因如喷气变轨或姿态调整等主动操作，而导致负载质量实时变化，需要对因质量实时变化导致的支承高度变化进行补偿，以保证模拟试验的精度。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法，旨在解决微低重力环境模拟装置重力卸载精度低的问题。
[0007]为解决上述问题，按照本专利技术的一个方面，提供一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其包括近零刚度支承组件、运动跟随组件和负载设备质量监测组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，负载设备质量监测组件与变质量负载相连，变质量负载固定或者铰接于近零刚度支承组件上，
[0008]近零刚度支承组件包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线式作动器，顶板和底板相互平行，顶板用于承载待模拟的负载设备，被动支承单元的承载能力大于待模拟的负载设备所受的重力，运动跟随组件与底板相连，用于给底板提供激励，以使底板跟随顶板伴产生预定的速度和运动，
[0009]负载设备质量监测组件包括负载设备控制器和负载质量传感单元，负载设备控制器与负载质量传感单元相连，负载设备传感单元用于实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器同时还与直线式作动器信号相连，
[0010]工作中，负载设备质量发生变化时，通过负载质量传感单元实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器生成质量变化补偿的前馈力信号，直线式作动器根据该前馈力信号通过顶板对负载设备实时补偿，被动支承单元、直线式作动器、运动跟随组件共同协作，以在地球环境下给质量实时变化的待模拟的负载设备提供位于重力加速度为g'的星球表面或太空受力环境，其中，0≤g'<g，g为地球表面重力加速度。
[0011]进一步的，所述负载质量传感单元包括气体压力传感器和质量流量计，所述气体压力传感器安装于负载设备储气罐内部，具有至少一个，其用于监测负载设备储气罐内压力的变化从而能计算出气体质量消耗量，所述质量流量计安装于负载设备喷气管路中，具有至少一个，用于直接监测负载设备各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量。
[0012]进一步的，采用轻柔线缆将气体压力传感器和质量流量计连接在负载设备上，以避免给负载设备的零重力或微低重力环境模拟带来扰动影响，气体压力传感器在整个负载设备中不同位置布置有多个，质量流量计也在整个负载设备的喷气管路中不同位置布置有多个。
[0013]进一步的，气体压力传感器实时监测负载设备储气罐内或者气动系统内压力的变化，并计算出气体质量消耗量，质量流量计实时监测各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量，并将监测信号传输至负载设备控制器，负载设备控制器融合气体压力传感器和质量流量计两者反馈的气体质量消耗量，通过设定的准则执行自动分析，获得精准的负载设备质量变化量，所述负载设备控制器依据获得的质量消耗量生成质量变化补偿的前馈力信号，输出指令以控制直线式作动器的出力。
[0014]进一步的，近零刚度支承组件还包括导向机构，运动跟随组件包括位移传感器、直线运动机构、驱动控制模块和底座，其中，被动支承单元包括正刚度元件和负刚度元件，正刚度元件和负刚度元件相互并联，正刚度元件和负刚度元件设置在顶板和底板之间，被动支承单元用于被动支承负载设备的重力，导向机构也设置在顶板和底板之间，并同时连接顶板和底板，所述导向机构用于在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板与所述底板之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉；所述位移传感器布置在顶板与底板之间，其上端与顶板连接，下端与底板连接，用于监测被动支承单元的高度变化；所述直线运动机构的连接于底板下方，使被动支承单元能够在负载设备重力方向上进行预设的移动；所述驱动控制模块分别与位移传感器、直线运动机构、直线式作动器和负载设备控制器电连接，用于根据接收到的位移传感器的信号信息，驱动控制直线运动机构，还用于根据负载设备控制器的信号控制直线式作动器运动；所述底座顶面与直线运动机构的固定端连接，底面固定连接于外部基础上；
[0015]以上装置工作时，所述驱动控制模块接收位移传感器和负载设备控制器的反馈信号，控制直线式作动器和直线运动机构运动，保证顶板和底板之间的相对位移恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，并对变质量负载设备的质量消耗量生成质量变化补偿，使顶板对负载设备的支承力波动近零。
[0016]进一步的，所述直线式作动器包括定子和动子，所述定子与底板相连，动子与顶板相连，直线式作动器和被动支承单元相互并联，并且直线式作动器相对高度和被动支承单元的相对高度均可调节，二者有效工作行程的中点在高度上的差别不超过1mm或不超过二
者最小工作行程的1/10。
[0017]进一步的，所述正刚度元件配合连接有高度调节机构，所述高度调节机构用于调节被动支承单元与直线式作动器的相对安装高度，所述高度调节机构包括螺母和螺柱，所述螺母穿过螺柱并与正刚度元件配合连接，所述螺柱与所述底板固定连接，旋转所述螺母能够调节正刚度元件与负刚度元件并联形成的被动支承单元与直线式作动器的相对安装高度。
[0018]进一步的，所述正刚度元件为金属螺旋弹簧、橡胶或空气弹簧；所述负刚度元件为磁负刚度机构、预压缩弹簧负刚度机构、压杆负刚度或凸轮
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滚轮
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弹簧负刚度机构，所述导向机构为气浮导轨，所述位移传感器为光栅尺位移传感器、激光位移传感器、电涡流传感器、霍尔传感器或LVDT位移传感器。
[0019]进一步的，所述直线运动机构为丝杠直线运动机构、气动直线运动机构、液压直线运动机构、齿轮
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齿条直线运动机构、绞车提升机构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其特征在于，其包括近零刚度支承组件、运动跟随组件和负载设备质量监测组件(3)，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，负载设备质量监测组件(3)与变质量负载相连，变质量负载固定或者铰接于近零刚度支承组件上，近零刚度支承组件包括顶板(1)、底板(2)、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线式作动器(5)，顶板(1)和底板(2)相互平行，顶板用于承载待模拟的负载设备，被动支承单元的承载能力大于待模拟的负载设备所受的重力，运动跟随组件与底板(2)相连，用于给底板提供激励，以使底板跟随顶板伴产生预定的速度和运动，负载设备质量监测组件(3)包括负载设备控制器和负载质量传感单元，负载设备控制器与负载质量传感单元相连，负载设备传感单元用于实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器同时还与直线式作动器信号相连，工作中，负载设备质量发生变化时，通过负载质量传感单元实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器生成质量变化补偿的前馈力信号，直线式作动器根据该前馈力信号通过顶板对负载设备实时补偿，被动支承单元、直线式作动器、运动跟随组件共同协作，以在地球环境下给质量实时变化的待模拟的负载设备提供位于重力加速度为g'的星球表面或太空受力环境，其中，0≤g'<g，g为地球表面重力加速度。2.如权利要求1所述的一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其特征在于，所述负载质量传感单元(12)包括气体压力传感器(12a)和质量流量计(12b)，所述气体压力传感器(12a)安装于负载设备储气罐内部，具有至少一个，其用于监测负载设备储气罐内压力的变化从而能计算出气体质量消耗量，所述质量流量计(12b)安装于负载设备喷气管路中，具有至少一个，用于直接监测负载设备各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量。3.如权利要求2所述的一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其特征在于，采用轻柔线缆将气体压力传感器(12a)和质量流量计(12b)连接在负载设备上，以避免给负载设备的零重力或微低重力环境模拟带来扰动影响。4.如权利要求3所述的一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其特征在于，气体压力传感器实时监测负载设备储气罐内或者气动系统内压力的变化，并计算出气体质量消耗量，质量流量计实时监测各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量，并将监测信号传输至负载设备控制器，负载设备控制器融合气体压力传感器和质量流量计两者反馈的气体质量消耗量，通过设定的准则执行自动分析，获得精准的负载设备质量变化量，所述负载设备控制器依据获得的质量消耗量生成质量变化补偿的前馈力信号，输出指令以控制直线式作动器的出力。5.如权利要求4所述的一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其特征在于，气体压力传感器(12a)在整个负载设备中不同位置布置有多个，质量流量计(12b)也在整个负载设备的喷气管路中不同位置布置有多个。6.如权利要求5所述的一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其特征在于，近零刚度支承组件还包括导向机构(6)，运动跟随组件包括位移传感器(8)、直线运动机构(9)、驱动控制模块(10)和底座(11)，其中，被动支承单元包括正刚度元件(3)和负刚度元件
(4)，正刚度元件(3)和负刚度元件(4)相互并联，正刚度元件(3)和负刚度元件(4)设置在顶板和底板之间，被动支承单元用于被动支承负载设备的重力，导向机构(6)也设置在顶板和底板之间，并同时连接顶板和底板，所述导向机构(6)用于在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板1与所述底板(2)之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉；所述位移传感器(8)布置在顶板(1)与底板(2)之间，其上端与...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜伟，黄植薇，周一帆，陈学东，侯玮杰，徐嘉亮，
申请(专利权)人：天津航天机电设备研究所，
类型：发明
国别省市：