[發明專利]基于磁液混合懸浮的地面微重力模擬實驗通用載荷平臺

有效

• 申請號: 201610389008.0
• 申請日: 2016-06-02
• 公開（公告）號: CN106005494B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 朱戰霞;張紅文;趙素平;袁建平
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B64G7/00
• 分類號: B64G7/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

【技術領域】

本發明屬于地面微重力效應模擬及其實驗技術領域，具體涉及一種基于磁液混合懸浮的地面微重力模擬實驗通用載荷平臺。

【背景技術】

在未來空間操作和技術發展過程中，涉及到諸多新理論和新技術，應用之前必須進行實驗驗證，地面實驗是進行以上技術和理論驗證的重要環節，實驗系統必須具有長時間、大空間、運動自由度與空間相同的精確微重力模擬環境。傳統的地面微重力實驗設施各有不足，不能完全滿足以上要求。例如失重飛機和微重力落塔的微重力時間太短；氣浮臺只能進行平面內運動試驗，雖然通過一定的機械運動方式可以實現三維空間運動，但姿軌運動分離，不能模擬實際操作過程中的姿軌耦合(在復雜操作中經常出現而且不可忽略)；吊絲系統動態模擬水平低不適用于復雜運動的模擬；中性浮力設施可以提供長時間、三維運動空間，實驗環境對運動無約束，能夠進行三維六自由度運動模擬，但存在運動阻力干擾。從微重力模擬時間、運動空間、運動自由度等方面考慮，似乎中性浮力設施最令人滿意，可用于空間復雜操作技術的驗證。但其由于中性浮力方法存在以下不足：1)中性浮力配平過程復雜，配平周期長且精度不高；2)載荷運動過程中，會形成水動力和水波干擾，影響運動和操作控制效果，試驗逼真度不高。因此，中性浮力設施在空間復雜操作方面的應用并不廣泛。

磁液混合懸浮是近年來進行微重力效應模擬的一種新方式，通過引入電磁力對重力和浮力之差進行補償，簡化配平過程，縮短配平周期，通過對電磁力的精確控制以提高補償精度，實現精確配平。但是磁液混合懸浮還存在諸多應用方面的不足，例如它要求整個實驗空間中產生電磁力的永磁體保持水平狀態，而永磁體與載荷相連，那么針對大小形狀不同的各類載荷，如何將永磁體與載荷相連，并保證姿態水平和精確微重力模擬水平就是一個必須解決的關鍵問題。由于是水下環境，因此要求這種連接結構的運動阻力盡量小，而且要求載荷與永磁體姿態解耦。

現在的姿態解耦連接平臺主要有氣浮臺的三軸轉臺與陀螺儀框架。氣浮軸承為氣浮臺三軸轉臺的關鍵，它由一個球面和一個球缺狀球窩組成，節流孔噴氣使得球面與球窩之間形成氣膜，從而提供滾轉運動與偏航運動。臺體繞垂直支撐面的軸的旋轉提供俯仰運動。氣浮臺的機構與設計不適合用于水下，一是節流孔噴射氣流形成氣膜以減小摩擦的機制不適用與水下，并且還會對載荷的水環境形成干擾，此外該機制還需要氣源，使得設備復雜；二是隨著載荷模型的姿態運動，載荷模型的質心位置相對于永磁鐵發生變化，永磁鐵的電磁力將不再通過載荷模型的質心；三是氣浮臺三軸轉臺的迎流面積過大，水阻力過大。

陀螺儀的基本機構為：將陀螺的自轉軸安裝在封閉的內框架上，再將內框架的轉軸安裝在封閉外框架上，外框架的轉軸安裝在基座上，這樣，陀螺與基座姿態運動解耦。將載荷模型與陀螺儀的自轉軸固連，并且將陀螺儀的基座與永磁體相連，則電磁場對永磁體的作用力可以作用于載荷模型，而載荷模型相對于基座姿態解耦，這樣可以基本滿足磁夜混浮的剩余重力補償的要求。但是簡單地按照陀螺儀的結構設計制造姿態解耦連接平臺，仍然不能滿足要求，一是陀螺儀只需要一次將陀螺安裝在框架上的操作，并且不需要將陀螺拆解下來，所以利用陀螺框架來承載載荷模型，實驗前的安裝準備不便；二是完成組裝后，要保證永磁鐵的電磁力能夠通過載荷模型的質心，而陀螺儀框架并沒有進行度量、調整、固定的平臺；三是如果載荷模型的尺寸變大，內、外框架可能過小而無法使用。

因此，已有技術還不能解決該問題，有必要研制一種通用載荷平臺，以便在磁液混合懸浮環境中，同時搭載永磁體和不同大小形狀的實驗載荷，能夠將作用于永磁體上的電磁作用力傳遞給載荷，使該力通過載荷的質心，同時保證載荷姿態變化過程中永磁體始終保持水平狀態，實現精確微重力效應的模擬。

【發明內容】

本發明的目的在于針對磁液混合懸浮空間微重力效應模擬實驗，提供一種基于磁液混合懸浮的地面微重力模擬實驗通用載荷平臺，改(該)載荷平臺可搭載永磁體和不同大小形狀的實驗載荷，能夠將作用于永磁體上的電磁作用力傳遞給載荷，使該力通過載荷的質心，同時保證載荷姿態變化過程中永磁體始終保持水平狀態，實現精確微重力效應的模擬。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：