[發明專利]一種無約束懸掛式主動重力補償系統設計方法

有效

• 申請號: 201310466806.5
• 申請日: 2013-10-09
• 公開（公告）號: CN103482089A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 賈英民;孫施浩;賈嬌
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64G7/00
• 分類號: B64G7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發明涉及航天器導航、制導與控制系統地面驗證技術領域，具體涉及一種用于航天器運動再現的無約束懸掛式主動重力補償系統設計方法。

背景技術

航天工程是一項高風險、高投入、高回報、高度復雜并且高精度的系統工程，它的發展程度決定能否搶占高科技制高點，能否最大程度的利用太空資源。毫無疑問，在我國積極開展航天技術研究迫在眉睫，然而太空環境極其惡劣，為了順利完成航天任務，必須在地面進行充分的實驗，因此國內外各航天機構都非常重視航天器在地面的實驗驗證。

太空環境的一個最重要的特征是微重力，然而，地面實驗室為有重力環境，為了在地面再現航天器空間微重力環境中的真實運動情況，提高地面驗證導航、制導與控制系統實驗的置信度，需要在地面為航天器六自由度運動建立一個與空間真實狀況相近的無約束微重力環境。要實現這個目標，就需要對航天器進行重力補償，重力補償是指對物體施加外力使之和物體所受的重力平衡，或者使物體處于自由落體狀態下，目的均是消除重力對物體運動過程中動力學特性的影響。

在當前重力補償方法的研究中，常用的方法有失重法、液浮法、氣浮法和懸掛法。失重法常見的為拋物飛行和自由落體，此方法的缺點是時間短、占用的空間大、能夠提供的空間有限并且成本高；液浮法阻尼大、維護成本高且只適合低速運動的情況；氣浮法一般只能提供五個自由度的運動，在豎直方向的運動受限。懸掛法所占用的空間小、不受時間空間的約束，是重力補償常用的方法，懸掛法一般可以分為主動重力補償和被動重力補償，多用于空間機械臂微重力試驗研究。被動重力補償的補償精度較低，對試驗效果有較大影響；主動重力補償能夠提高補償精度，但目前主動重力補償方法一般通過單點懸掛提供三自由度運動空間或多點懸掛提供六自由度運動空間，針對實現航天器運動再現這個目標，三自由度運動空間顯然不夠，多點懸掛所提供的六自由度空間會由于結構復雜、系統難控導致試驗效果不佳，因此需要尋找一種結構簡單、運行穩定、補償徹底的重力補償系統為航天器提供一個近似無約束六自由度運動的微重力環境，進而再現其在空間微重力環境下的真實運動，保證地面驗證導航、制導與控制系統的有效性。

發明內容

本發明的目的是發明一種具有結構簡單、運行穩定、補償徹底的重力補償系統來補償地面試驗環境中航天器的重力，提供航天器一個近似無約束六自由度運動的微重力環境，進而再現其在空間微重力環境下的真實運動，保證地面驗證導航、制導與控制系統的有效性。

本發明基于懸掛拉力和航天器重力平衡、力的作用效果相互抵消的原理來對航天器的重力進行補償的懸掛主動重力補償系統，集無約束懸掛模塊、水平隨動模塊、豎直恒張力懸掛模塊以及相應的控制模塊于一體，能夠很好地實現這一預定目標。

本發明的技術方案：

一種無約束懸掛式主動重力補償系統包括無約束連接模塊、水平隨動模塊、豎直恒張力懸掛模塊及控制模塊。

所述無約束連接模塊包括連接套、外裝框、施力件和低摩擦軸承，外裝框通過連接套和低摩擦推力球軸承與懸掛吊絲相連，外裝框通過施力件和低摩擦深溝球軸承與被補償航天器相連，使航天器在外裝框內繞質心做近似無約束滾動和俯仰的姿態調整運動，航天器與外裝框一起繞航天器質心做近似無約束偏航的姿態調整運動。

所述水平隨動模塊包括伺服電機、導軌、同步帶、二維傾角傳感器、移動天車和支撐框架，其中，倒L型支撐框架底部通過固定座固定在地面，倒L型支撐框架頂部安裝兩根可調整水平位置的連接板，X方向的兩根直線導軌安裝在連接板上，Y方向的兩根直線導軌安裝在X方向直線導軌滑塊表面上，移動天車安裝在Y方向直線導軌滑塊表面上，通過調整連接板使移動天車表面處于水平狀態，移動天車與豎直恒張力懸掛模塊相固連，兩個伺服電機通過同步帶連接可分別帶動移動天車和豎直恒張力懸掛模塊沿X、Y方向做往復運動，兩個對稱安裝的二維傾角傳感器同時測量航天器運動過程中懸掛吊絲偏離豎直方向的兩個夾角，將測量數據融合輸送給控制模塊，通過控制伺服電機運行加速度使航天器運動過程中懸掛吊絲處于豎直狀態，保證懸掛吊絲對航天器不產生水平方向干擾力。

所述豎直恒張力懸掛模塊包括力矩電機、齒輪齒條、懸掛吊絲和S型張力傳感器，其中，懸掛吊絲一端與齒條固連，另一端與無約束連接模塊中的連接套固連，力矩電機通過齒輪連接可驅動齒條、懸掛吊絲和無約束連接模塊在豎直方向上做往復運動，S型張力傳感器測量航天器運動過程中懸掛吊絲的張力，將測量數據輸送給控制模塊，通過控制力矩電機運行加速度使航天器運動過程中懸掛吊絲的張力等于航天器和無約束連接模塊所受重力之和，保證航天器運動過程中懸掛吊絲的張力始終恒定。