追隨式零重力模擬試驗方法

2023-05-09 20:47:21

專利名稱：追隨式零重力模擬試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種追隨式零重力模擬試驗方法，特別涉及一種主動追隨式零 重力試—險方法。
背景技術：
零重力是指被試驗設備所受的合力為零的狀態，即Fa=0。
追隨是指空間可展開機械裝置在展開過程中，懸吊空間可展開機械裝置的 吊索始終跟蹤空間可展開機械裝置的軌跡。
追隨式零重力試驗方法是指空間可展開機械裝置在展開過程中，懸吊空間 可展開機械裝置的吊索始終跟蹤空間可展開機械裝置的軌跡的同時，儘可能保 持空間可展開機械裝置受合力為零的狀態的試驗方法。
目前正在使用的地面零重力試驗方法主要有(1) 二維吊掛零重力方法； (2)氣浮平臺方法；(3)氣球懸吊方法；(4)水中懸浮方法。這4種方法全 部為被動的、無主動驅動裝置的試驗方法。
二維吊掛零重力方法是目前最常用的方法，此方法無主動驅動裝置，在二 自由度的導軌上連接吊索，吊索與空間可展開機械裝置連接，靜止時空間可展 開機械裝置所受合力為零，空間可展開機械裝置展開時拖動吊索沿二自由度的 導軌運行，由於吊索和二自由度的導軌之間存在摩擦阻力，此時空間可展開機 械裝置合力無法保持零的狀態。即使要求吊索和二自由度的導軌之間的摩擦阻 力儘可能低，但是阻力是無法完全消除，不能真實的模擬零重力的狀態。
氣浮式零重力平臺的系統雖然解決了阻力的問題，但是目前氣浮平臺僅能 產生單方向的力，對於太陽翼等重心高度遠大於其與氣浮平臺接觸的尺寸，在 氣浮平臺上靜止時可看作不穩定的隨遇平衡，空間可展開機械裝置開始展開時， 如受到外界幹擾力，零重力環境就很容易被破壞且無法恢復到幹擾前的零重力狀態，而且氣浮式零重力平臺的系統複雜並無法應用於真空環境中。
氣球懸吊的方法的原理是利用氣球產生一個與空間可展開機械裝置所受重 力大小相等方向相反的浮力來使空間可展開機械裝置所受合力為零。當空間可 展開機械裝置展開時，由於氣球體積大造成可懸吊點的數量有限以及展開過程 中氣球運動受到的空氣的阻力較大，模擬零重力的狀態有較大的失真。
水中懸浮方法，在空間可展開機械裝置上懸吊氣球或配重等，使得試驗設 備整體在水中所受浮力與重力相等，靜止時達到合力為零。由於展開動作在水 中進行，水阻力遠大於空氣，從而使得展開阻力很大，模擬真空零重力的狀態
有較大的失真，同時水可能對試-3^i殳備產生汙染，此方法已較少採用。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種能真實模擬零 重力、可應用於真空環境的主動追隨式零重力^t擬試驗方法。
本發明的技術解決方案是追隨式零重力模擬試驗方法，通過以下步驟實
現
第一步，製作主動追隨式零重力模擬裝置，
主動追隨式零重力模擬裝置包括導軌、吊索、導軌支架、追隨裝置、驅 動裝置和控制計算機，導軌固定在導軌支架上，導軌與吊索通過金屬圓環連接， 吊索與空間可展開機械裝置通過金屬圓環連接，追隨裝置和控制計算機數據線 連接，驅動裝置和吊索連接，驅動裝置和控制計算機數據線連接，追隨裝置和 驅動裝置安裝在吊索與導軌的連接點即上點上；
第二步，空間可展開機械裝置解鎖展開，帶動吊索在導軌上滑動，此時上 點開始追隨吊索與空間可展開機械裝置的連接點即下點，使得吊索主動跟蹤空 間可展開機械裝置；
第三步，控制計算機根據追隨裝置測量到的數據計算出吊索與基準鉛垂線 的半錐角6 ;
第四步，控制計算機將計算得到的半錐角e與控制計算機中預設的半錐角e'對比，當e》e'時，控制計算機根據吊索的偏移矢量，控制安裝在上點的驅 動裝置帶動吊索反方向移動相應的矢量，使吊索與地重新鉛垂，其中偏移矢量 是吊索從主動追隨式零重力模擬裝置靜止時的位置移動到當前位置的距離和方 向；
第五步，不斷重複第三步和第四步，使吊索始終保持與地鉛垂，確保空間 可展開機械裝置在展開過程中所受的合力為零。
所述第一步的追隨裝置包括雷射接收器碼盤和始終鉛垂向上發射雷射束的 雷射管，雷射接收器碼盤安裝在上點處，雷射管安裝在下點處。
所述第 一步的追隨裝置包括萬向節和陀螺，萬向節通過連接螺栓安裝在上 點，陀螺與萬向節通過連接螺栓連接，陀螺與控制計算機通過電纜連接。
所述第三步的半錐角^ = cr難,，其中/為主動追隨式零重力模擬裝置靜止
時吊索上下點之間的距離，s為當前雷射接收器碼盤接受到的雷射位置與主動 追隨式零重力模擬裝置靜止時雷射接收器碼盤接收到的雷射位置的距離。
所述第三步的半錐角0-V^7^7，其中a、 P是陀螺測量的萬向節在Z軸 對地的笛卡兒坐標系下繞X、 Y軸旋轉的角度。
所述第四步控制計算機中預設的半錐角e'由吊索的長度、空間可展開機械
裝置的機構形式和試^r狀態決定。 所述的導軌為二自由度導軌。 本發明與現有技術相比有益效果為 (1 )本發明採用主動驅動裝置，使上點主動追隨下點，使得吊索主動跟蹤 空間可展開的機械裝置，解決了阻力大的缺點，能夠更好地模擬零重力狀態。 (2)本發明能夠應用於真空環境中的展開試驗。
(3 )本發明由於克服了阻力和外界幹擾力，不僅能適用於太陽翼等尺寸較 大、較重的空間可展開的機械裝置，而且也可適用於輕質伸杆等空間可展開的 機械裝置的展開。


圖1為本發明實施例1的裝置結構示意圖； 圖2為圖1A部分局部放大圖； 圖3為本發明實施例2的裝置結構示意圖； 圖4為圖2B部分局部;改大圖； 圖5為本發明流程圖。
具體實施例方式
實施例以四根吊索為例，在每根吊索上都安裝獨立的驅動裝置和追隨裝置， 使每根吊索獨立工作，吊索數量可根據空間可展開機械裝置的大小和重量確定。 本發明所用的驅動裝置是可實現吊索移動的裝置，如電機。
實施例1 、
如圖1 、 2所示，本發明的主動追隨式零重力模擬裝置包括二自由度導軌1 、 吊索2、導軌支架3、雷射接收器碼盤5、雷射管6、驅動裝置7和控制計算機， 二自由度導軌1通過連接螺栓固定在導軌支架3上，二自由度導軌1與吊索2 通過金屬圓環連接，吊索2與空間可展開機械裝置4通過金屬圓環連接，雷射 接收器碼盤5和控制計算機數據線連接，驅動裝置7通過連接螺栓與吊索2連 接，驅動裝置7和控制計算機數據線連接，雷射接收器碼盤5和驅動裝置7安 裝在吊索2與二自由度導軌1的連接點即上點上；雷射管6始終鉛垂向上發射 雷射束，安裝在吊索2與空間可展開機械裝置4的連接點即下點處。設置未工 作時雷射接收器碼盤5接收的信號位置為零點。
工作過程，如圖5所示
1 )在控制計算機中根據吊索2的長度、空間可展開機械裝置4的機構形式 和試驗狀態確定預設的半錐角e'大小，半錐角為吊索2和基準鉛垂線兩者所成 的夾角。由於角度越大，空間可展開機械裝置運動過程中受到的摩擦力就越大， 零重力狀態就會被破壞， 一般預設的半錐角6'<0.5° 。
2)被追隨的空間可展開機械裝置4解鎖展開，上點開始追隨下點，使得 吊索2主動跟蹤空間可展開的機械裝置4。
73) 雷射接收器碼盤5將接收到的雷射管6發出的雷射位置通過數據線傳 遞到控制計算機，控制計算機根據公式0 = ^難^，計算出吊索2與基準鉛垂線
的半錐角6 ,其中/為主動追隨式零重力模擬裝置靜止時吊索2上下點之間的距 離，s為當前雷射接收器碼盤5接受到的雷射位置與主動追隨式零重力模擬裝 置靜止時雷射接收器碼盤5接收到的雷射位置的距離。
4) 控制計算機將計算得到的半錐角e與預設的半錐角e'對比，當e > e'
時，控制計算機根據雷射接收器碼盤5測得的吊索2的偏移矢量，控制安裝在 上點的驅動裝置7帶動吊索2反方向移動相應的矢量，使吊索2與地重新鉛垂， 其中偏移矢量是吊索2從主動追隨式零重力模擬裝置靜止時的位置移動到當前 位置的距離和方向。
5) 控制計算機不斷地根據雷射接收器碼盤5將接收到的雷射位置計算半
錐角e，與預設的半錐角e'對比，當6 e'時，控制計算機控制安裝在上點
的驅動裝置7帶動吊索2反方向移動相應的矢量，使吊索2始終保持與地鉛垂， 確保空間可展開機械裝置4在展開過程中所受的合力為零。 實施例2、
如圖3、4所示，本發明的主動追隨式零重力模擬裝置包括二自由度導軌1、 吊索2、導軌支架3、驅動裝置7、萬向節8、陀螺9和控制計算機，二自由度 導軌1通過連接螺栓固定在導軌支架3上，二自由度導軌1與吊索2通過金屬 圓環連接，吊索2與空間可展開機械裝置4通過金屬圓環連接，陀螺9和控制 計算機數據線連接，萬向節8通過連接螺栓安裝在上點，陀螺9通過連接螺栓 與萬向節8連接，驅動裝置7通過連接螺栓與吊索2連接，驅動裝置7和控制 計算機數據線連接，驅動裝置7安裝在吊索2與二自由度導軌1的連接點即上 點上；未工作時陀螺9接收的信號位置為零點。
工作過程，如圖5所示
1 )在控制計算機中根據吊索2的長度、空間可展開機械裝置4的機構形式和試驗狀態確定預設的半錐角6'大小，半錐角為吊索2和基準鉛垂線兩者所成
的夾角。由於角度越大，空間可展開機械裝置運動過程中受到的摩擦力就越大，
零重力狀態就被破壞， 一般預設的半錐角6'<0.5° 。
2) 被追隨的空間可展開機械裝置4解鎖展開，上點開始追隨下點，使得 吊索2主動跟蹤空間可展開的機械裝置4。
3) 陀螺9對萬向節8在Z軸對地的笛卡兒坐標系下，繞X、 丫軸i走轉的 角度a 、 |3進行測量，控制計算機依據陀螺9測量的a 、 P ,根據公式^ = ^^+"2 計算半錐角；
4) 控制計算機將計算得到的半錐角e與預設的半錐角e'對比，當e > e'
時，控制計算機根據陀螺9測量的旋轉的角度a、 P,控制安裝在上點的驅動 裝置7帶動吊索2反方向旋轉，使吊索2與地重新鉛垂。
5) 控制計算機不斷地計算半錐角e ，與預設的半錐角e'對比，當e e'時，控制計算機控制安裝在上點的驅動裝置7帶動吊索2反方向旋轉相應的
角度，使吊索2始終保持與地鉛垂，確保空間可展開機械裝置4在展開過程中
所受的合力為零。
本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員7>知常識。
權利要求
1、追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於通過以下步驟實現第一步，製作主動追隨式零重力模擬裝置，主動追隨式零重力模擬裝置包括導軌(1)、吊索(2)、導軌支架(3)、追隨裝置、驅動裝置(7)和控制計算機，導軌(1)固定在導軌支架(3)上，導軌(1)與吊索(2)通過金屬圓環連接，吊索(2)與空間可展開機械裝置(4)通過金屬圓環連接，追隨裝置和控制計算機數據線連接，驅動裝置(7)和吊索(2)連接，驅動裝置(7)和控制計算機數據線連接，追隨裝置和驅動裝置(7)安裝在吊索(2)與導軌(1)的連接點即上點上；第二步，空間可展開機械裝置(4)解鎖展開，帶動吊索(2)在導軌(1)上滑動，此時上點開始追隨吊索(2)與空間可展開機械裝置(4)的連接點即下點，使得吊索(2)主動跟蹤空間可展開機械裝置(4)；第三步，控制計算機根據追隨裝置測量到的數據計算出吊索(2)與基準鉛垂線的半錐角θ；第四步，控制計算機將計算得到的半錐角θ與控制計算機中預設的半錐角θ′對比，當θ≥θ′時，控制計算機根據吊索(2)的偏移矢量，控制安裝在上點的驅動裝置(7)帶動吊索(2)反方向移動相應的矢量，使吊索(2)與地重新鉛垂，其中偏移矢量是吊索(2)從主動追隨式零重力模擬裝置靜止時的位置移動到當前位置的距離和方向；第五步，不斷重複第三步和第四步，使吊索(2)始終保持與地鉛垂，確保空間可展開機械裝置(4)在展開過程中所受的合力為零。
2、 根據權利要求1所述的追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於所述 第一步的追隨裝置包括雷射接收器碼盤(5)和始終鉛垂向上發射雷射束的雷射 管(6),雷射接收器碼盤(5)安裝在上點處，雷射管(6)安裝在下點處。
3、 根據權利要求1所述的追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於所述第一步的追隨裝置包括萬向節(8)和陀螺(9)，萬向節(8)通過連接螺栓安 裝在上點，陀螺(9)與萬向節(8)通過連接螺栓連接，陀螺(9)與控制計 算機通過電纜連接。
4、 根據權利要求1所述的追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於所述笫三步的半錐角^ = ^雄，，其中/為主動追隨式零重力模擬裝置靜止時吊索(2)上下點之間的距離，^為當前雷射接收器碼盤(5)接受到的雷射位置與 主動追隨式零重力模擬裝置靜止時雷射接收器碼盤(5 )接收到的雷射位置的距離。
5、 根據權利要求1所述的追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於所 述第三步的半錐角e-V^T^，其中cc、 P是陀螺(9)測量的萬向節(8)在 Z軸對地的笛卡兒坐標系下繞X、 Y軸旋轉的角度。
6、 根據權利要求1所述的追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於所 述第四步控制計算機中預設的半錐角6'由吊索(2)的長度、空間可展開機械 裝置(4)的機構形式和試驗狀態決定。
7、 根據權利要求1所述的追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於所 述的導軌(1)為二自由度導軌。
8、 根據權利要求1所述的追隨式零重力模擬試驗方法，其特徵在於所 述的驅動裝置(7)是電機。
全文摘要
追隨式零重力模擬試驗方法，將空間可展開機械裝置安裝在主動追隨式零重力模擬裝置上，空間可展開機械裝置解鎖展開時，帶動主動追隨式零重力模擬裝置的吊索在導軌上滑動；控制計算機根據追隨裝置測量到的數據計算出吊索與基準鉛垂線的半錐角θ，與控制計算機中預設的半錐角θ′對比，當θ≥θ′時，控制計算機根據吊索的偏移矢量，控制驅動裝置帶動吊索反方向移動相應的矢量，使吊索與地重新鉛垂，確保空間可展開機械裝置在展開過程中所受的合力為零。本發明採用主動驅動裝置，解決了阻力大的缺點，能夠更好地模擬零重力狀態；不僅能適用於太陽翼等尺寸較大、較重的空間可展開的機械裝置，而且也可適用於輕質伸杆等空間可展開的機械裝置的展開。
文檔編號G01M99/00GK101482455SQ20091007826
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月24日 優先權日2009年2月24日
發明者森 劉, 彭向中, 王培明, 邸國棟 申請人:航天東方紅衛星有限公司