面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台制造技术

本发明专利技术提供了一种面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台，包括气浮电磁力补偿平台

【技术实现步骤摘要】
面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台


[0001]本专利技术属于航空航天微重力模拟结构设计领域，尤其是涉及一种面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台
。

技术介绍

[0002]在当前复杂的国际形势下，航空领域的探索与应用具有重要的战略意义，同时也会对国计民生各方面产生深远的影响
。
航天器在轨运行时的引力环境与地球表面差异很大，导致空间机构的动力学模型相差较大
。
对动力学环境预示和控制的不充分，可直接导致航天任务失败
。
因此，为了验证航天器的各项性能指标，需要在地面进行全面系统的测试与评估
。
然而机械臂
、
太阳翼和卫星天线等大型可展机构，普遍尺寸非常庞大，这些可展机构在航天器发射时处于收缩折叠状态，当进入预定轨道时按照指令要求展开为最终形态
。
这些机构能否顺利展开直接关系到航天任务的成败，因此，必须研制大尺寸下微阻力
、
低刚度
、
低扰动的快速装配的微重力模拟技术，在地面提前进行相关技术的模拟实验
。
[0003]常用的微重力模拟试验平台有固定气浮平台
、
移动支撑平台和移动气浮平台
。
固定气浮平台具有低摩擦
、
高精度等诸多优点，但被试件体积始终受制于支撑平台尺寸的大小，移动式平台成为国内外航天器微低重力模拟试验领域的研究热点，移动式气浮平台为大尺寸航天器展开机构微低重力模拟试验提供了良好的解决方案，摆脱了大尺寸
、
高精度气浮平台的物理限制，然而也产生了新的问题亟需解决：在随动气浮台移动过程中，由于气浮平台倾角变化，造成气浮平台承托平面与重力方向不垂直，从而产生平台侧滑，考虑到气膜低摩擦力的特性，气浮轴承很容易滑出气浮平台
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台，以解决现有技术的不足
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台，包括气浮电磁力补偿平台
、
零刚度支撑单元
、
伺服平台
、
平面电机，所述伺服平台顶部通过零刚度支撑单元安装气浮电磁力补偿平台，气浮电磁力补偿平台顶部安装平面电机，平面电机上方安装试验对象，所述伺服平台用于承担一级宏调平任务，气浮电磁力补偿平台通过平面电机单元实现二级微调平过程，零刚度支撑单元用于配合气浮电磁力补偿平台实现径向竖直向恒力卸载
。
[0007]进一步的，还包括可移动气浮平台，所述可移动气浮平台安装至伺服平台下方
。
[0008]进一步的，还包括气囊，所述气囊安装至伺服平台内，气囊用于保护机械结构
。
[0009]进一步的，气浮电磁力补偿平台通过平面电机实现二级微调平过程，其控制策略：
[0010]通过在平面电机的气浮轴承中充气；
[0011]控制平面电机绕组激励出旋转磁场进而在平面电机导磁平板上感应出涡流产生
电磁力；
[0012]建立电机电磁场与涡流场相互作用下电磁力解析模型；
[0013]在极坐标下采用二维傅里叶分解得到平面电机绕组电流密度在铁芯表面的分布；
[0014]为进一步分析平面电机磁场耦合作用对整体电磁力的影响，建立电机电磁场与涡流场相互作用下电磁力解析模型，在极坐标下采用二维傅里叶分解得到电机绕组电流密度在铁芯表面的分布，拟利用子域法通过求解矢量磁位所满足的微分方程，构建基于各阶次谐波叠加形式的气隙磁场分布，其基本电磁关系表示为：
[0015][0016][0017]式中，
i
表示划分的各区域，
v
表示磁气混合悬浮平面电机的运动速度；当
v
＝0时，平面电机处于静止状态；当
v≠0
时，平面电机处于运动状态；
A
为矢量磁势，
J
m
为涡流场电流密度，
σ
为电导率，
μ0为真空磁导率，
μ
i
为相对磁导率，
ω
为磁场角速度
。
[0018]采用解析法构建耦合情况下涡流场和电磁场整体解析模型，获得整体电磁力矢量随时间空间的分布规律，电磁力表示为：
[0019][0020]式中，表示平面电机绕组产生的涡流密度矢量，表示气隙中的平面电机涡旋电流磁场磁密矢量，表示涡流场产生的涡流密度矢量，表示气隙中的平面电机电磁场磁密矢量，
A
为矢量磁势，
F1为平面电机产生的电磁力，
F2为涡流场的电磁力，
σ
为电导率
。
[0021]进一步的，伺服平台承担一级宏调平任务，气浮电磁力补偿平台通过平面电机实现二级微调平过程，基于两级协同调平策略进行动态调平过程的博弈分析，博弈分析包括：
[0022]博弈的参与者为：伺服平台和气浮电磁力补偿平台组成合作联盟；
[0023]博弈参与者的决策为：合作联盟中伺服平台倾斜角度和气浮电磁力补偿平台电磁补偿力大小；
[0024]博弈参与者的收益函数为：在动态调平过程中系统的响应时长和径向扰动大小；
[0025]纳什均衡为：任意时刻动态调平协同控制策略的最优解；
[0026]约束边界：倾斜方向限制
、
其气浮电磁力补偿平台力补偿大小阈值和伺服平台角度调整的阈值
。
[0027]进一步的，采用
Shapley
值法来分配合作联盟的额外收益，
Shapley
值根据下式计算：
[0028][0029]其中，表示
Shapley
值，也是参与者
i
在联盟
S
中所分配的收益
。A
是
S
的子集，
|A|
表示集合
A
的秩
。
[0030]进一步的，在动态调平过程中，伺服平台和气浮电磁力补偿平台形成
Nash
均衡
。
[0031]进一步的，在动态调平过程中，当伺服平台和气浮电磁力补偿平台通过合作产生优于非合作的调平表现，则存在参与者走向合作的可能，通过有约束力的协议，实现
Pareto
均衡
。
[0032]进一步的，所述零刚度支撑单元包括正刚度主承载子单元与负刚度子单元，正刚度主承载子单元提供静态大承载力，负刚度子单元减小系统的动刚度
。
[0033]相对于现有技术，本专利技术所述的面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台具有以下优势：
[0034](1)
本专利技术所述的面向大型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台，其特征在于：包括气浮电磁力补偿平台
(2)、
零刚度支撑单元
(3)、
伺服平台
(4)、
平面电机
(6)
，所述伺服平台
(4)
顶部通过零刚度支撑单元
(3)
安装气浮电磁力补偿平台
(2)
，气浮电磁力补偿平台
(2)
顶部安装平面电机
(6)
，平面电机
(6)
上方安装试验对象
(1)
，所述伺服平台
(4)
用于承担一级宏调平任务，气浮电磁力补偿平台
(2)
通过平面电机
(6)
单元实现二级微调平过程，零刚度支撑单元
(3)
用于配合气浮电磁力补偿平台
(2)
实现径向竖直向恒力卸载
。2.
根据权利要求1所述的面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台，其特征在于：还包括可移动气浮平台
(7)
，所述可移动气浮平台
(7)
安装至伺服平台
(4)
下方
。3.
根据权利要求1所述的面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台，其特征在于：还包括气囊
(5)
，所述气囊
(5)
安装至伺服平台
(4)
内，气囊
(5)
用于保护机械结构
。4.
根据权利要求1所述的面向大型航天器的可重构智能移动气浮式微重力试验平台，其特征在于：气浮电磁力补偿平台
(2)
通过平面电机
(6)
实现二级微调平过程，其控制策略：通过在平面电机
(6)
的气浮轴承中充气；控制平面电机
(6)
绕组激励出旋转磁场进而在导磁平板上感应出涡流产生电磁力；建立电机电磁场与涡流场相互作用下电磁力解析模型；在极坐标下采用二维傅里叶分解得到平面电机
(6)
绕组电流密度在铁芯表面的分布；为进一步分析平面电机磁场耦合作用对整体电磁力的影响，建立电机电磁场与涡流场相互作用下电磁力解析模型，在极坐标下采用二维傅里叶分解得到电机绕组电流密度在铁芯表面的分布，拟利用子域法通过求解矢量磁位所满足的微分方程，构建基于各阶次谐波叠加形式的气隙磁场分布，其基本电磁关系表示为：叠加形式的气隙磁场分布，其基本电磁关系表示为：式中，
i
表示划分的各区域，
v
表示磁气混合悬浮平面电机
(6)
的运动速度；当
v
＝0时，平面电机
(6)
处于静止状态；当
v≠0
时，平面电机
(6)
处于运动状态；
A
为矢量磁势，
J
m
为涡流场电流密度，
σ
为电导率，
μ0为真空磁导率，
μ
i
为相对磁导率，...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯玮杰，李斌，臧立彬，李桂丹，徐嘉亮，佘奇，
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：