【技术实现步骤摘要】
可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置及方法
[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,涉及一种可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置及方法。
技术介绍
[0002]外太空与其他星体表面的微低重力环境会使航天器的机械性能和控制性能受到无法预估的影响,为了提高航天器在太空执行任务的安全性和可靠性,地面微低重力环境模拟技术十分重要。
[0003]目前,主流的微低重力模拟有两种构型,一是基于悬吊摆机构的悬吊模拟方法,一是基于气浮平台的支承模拟方法。这两种方法均可对体积较大的物体进行较长时间的微重力模拟试验,并且单次试验成本低,易实施。但是不论是悬吊模拟方法还是支承模拟方法,垂向上的重力卸载都是实现六自由度高保真模拟的关键。
[0004]文献资料表明:目前恒力支承/悬吊机构比较主流的有配重法、恒力气缸法、刚性驱动+弹性缓冲元件力反馈法等,它们可不同程度地补偿航天器所受到的重力,但是配重法会导致附加质量的成倍增加,恒力气缸由于气体的强可压缩性会导致非线性控制问题和时滞问题。目前国内主要采用刚性驱动+弹性缓冲元件力反馈法,但其主要受制于力传感器的精度限制,无法在吨级负载的情况下做到牛级的恒力控制。
[0005]无论是采用何种机构卸载重力和释放自由度,支承单元的部分结构必然与航天器“绑定”,这部分附加质量会影响航天器的微重力模拟精度。基于气浮平台的支承方法在平动自由度上的附加质量占比有时甚至能超过50%,由此造成的微低重力模拟失真问题十分显著。
[0006]因此,需要一种 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置,其特征在于,其包括近零刚度支承组件、运动跟随组件、可调气浮平台组件和惯性力补偿组件,其中,近零刚度支承组件与运动跟随组件上下连接形成串联结构,所述串联结构通过气浮支承方式浮动设置在可调气浮平台组件上,惯性力补偿组件同时设置在近零刚度支承组件和运动跟随组件上,工作时,外界的负载设备固定或铰接在近零刚度支承组件上,可调气浮平台组件用于调整倾角,并补偿水平上的两个自由度的附加质量惯性力,惯性力补偿组件用于监测运动状态并控制运动跟随组件和可调气浮平台组件以补偿三个自由度的附加质量惯性力。2.如权利要求1所述的一种可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置,其特征在于,所述近零刚度支承组件包括顶板、底板、近零刚度弹性元件、气浮导轨和位移传感器,顶板与底板相互平行,顶板与外界的负载设备连接以支撑外界的负载设备,近零刚度弹性元件设置在顶板和底板之间,其由正刚度元件和负刚度元件并联而成,气浮导轨设置在近零刚度支承组件中央处,并位于顶板和底板之间,用于实现顶板和底板之间的无摩擦运动,还能限制除垂向自由度以外的其他自由度,位移传感器布置在顶板与底板之间,用于监测近零刚度弹性元件的高度变化。3.如权利要求2所述的一种可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置,其特征在于,所述正刚度元件为金属螺旋弹簧,所述负刚度元件为无摩擦的磁负刚度件,所述位移传感器为光栅尺位移传感器、激光位移传感器或/和电涡流传感器,其还包括高度调节机构,所述正刚度元件一端连接顶板,另一端连接有高度调节机构的一端,高度调节机构的另一端连接底板,所述高度调节机构用于调节近零刚度支承组件的初始预紧力,改变近零刚度弹性元件所提供的支承力,以能够调整顶板的浮起高度,从而调整负刚度元件的工作点位,所述高度调节机构为螺母螺杆机构或者液压机构。4.如权利要求2或3所述的一种可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置,其特征在于,所述运动跟随组件包括恒力控制器和直线运动机构,直线运动机构与底板固连,恒力控制器通过接收所述位移传感器的反馈信号,驱动控制直线运动机构,保证顶板和底板之间的相对位移恒定,使得近零刚度弹性元件的形变近零,从而保证顶板对负载设备的支承力波动近零,所述直线运动机构为滚珠丝杠直线运动机构。5.如权利要求4所述的一种可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置,其特征在于,可调气浮平台组件整体设置在外界的地基上,所述可调气浮平台组件包括气浮轴承、气浮平台、姿态角测量单元和十字柔性铰链,直线式柔性快、压电作动器和姿态角控制器,气浮轴承设置在气浮平台上面,用于连接可调气浮平台组件和运动跟随组件,十字柔性铰链分别与气浮平台底部和地基连接且位于气浮平台和地基之间,且位于靠气浮平台的中央处,十字柔性铰链用于限制气浮平台除绕x轴和y轴转动以外的自由度,直线式柔性块同样设置在气浮平台底部和地基之间且位于靠气浮平台的边缘处,压电作动器同样设置在气浮平台和地基之间,并且和十字柔性铰链、直线式柔性块相平行,姿态角测量单元设置在气浮平台的边缘处,姿态角测量单元用于实时监测气浮平台的姿态角信号,姿态角控制器用于接收姿态角测量单元实时监测获取的气浮平台的姿态角信号,还用于根据所述气浮平台的姿态角信...
【专利技术属性】
技术研发人员:姜伟,陈辉,周睿,陈学东,吴九林,
申请(专利权)人:华中科技大学,
类型:发明
国别省市:
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