CN101482455A - 追随式零重力模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

追随式零重力模拟试验方法，将空间可展开机械装置安装在主动追随式零重力模拟装置上，空间可展开机械装置解锁展开时，带动主动追随式零重力模拟装置的吊索在导轨上滑动；控制计算机根据追随装置测量到的数据计算出吊索与基准铅垂线的半锥角θ，与控制计算机中预设的半锥角θ′对比，当θ≥θ′时，控制计算机根据吊索的偏移矢量，控制驱动装置带动吊索反方向移动相应的矢量，使吊索与地重新铅垂，确保空间可展开机械装置在展开过程中所受的合力为零。本发明采用主动驱动装置，解决了阻力大的缺点，能够更好地模拟零重力状态；不仅能适用于太阳翼等尺寸较大、较重的空间可展开的机械装置，而且也可适用于轻质伸杆等空间可展开的机械装置的展开。

Description

追随式零重力模拟试验方法

技术领域

本发明涉及一种追随式零重力模拟试验方法，特别涉及一种主动追随式零重力试验方法。

背景技术

零重力是指被试验设备所受的合力为零的状态，即F_合＝0。

追随是指空间可展开机械装置在展开过程中，悬吊空间可展开机械装置的吊索始终跟踪空间可展开机械装置的轨迹。

追随式零重力试验方法是指空间可展开机械装置在展开过程中，悬吊空间可展开机械装置的吊索始终跟踪空间可展开机械装置的轨迹的同时，尽可能保持空间可展开机械装置受合力为零的状态的试验方法。

目前正在使用的地面零重力试验方法主要有：(1)二维吊挂零重力方法；(2)气浮平台方法；(3)气球悬吊方法；(4)水中悬浮方法。这4种方法全部为被动的、无主动驱动装置的试验方法。

二维吊挂零重力方法是目前最常用的方法，此方法无主动驱动装置，在二自由度的导轨上连接吊索，吊索与空间可展开机械装置连接，静止时空间可展开机械装置所受合力为零，空间可展开机械装置展开时拖动吊索沿二自由度的导轨运行，由于吊索和二自由度的导轨之间存在摩擦阻力，此时空间可展开机械装置合力无法保持零的状态。即使要求吊索和二自由度的导轨之间的摩擦阻力尽可能低，但是阻力是无法完全消除，不能真实的模拟零重力的状态。

气浮式零重力平台的***虽然解决了阻力的问题，但是目前气浮平台仅能产生单方向的力，对于太阳翼等重心高度远大于其与气浮平台接触的尺寸，在气浮平台上静止时可看作不稳定的随遇平衡，空间可展开机械装置开始展开时，如受到外界干扰力，零重力环境就很容易被破坏且无法恢复到干扰前的零重力状态，而且气浮式零重力平台的***复杂并无法应用于真空环境中。

气球悬吊的方法的原理是利用气球产生一个与空间可展开机械装置所受重力大小相等方向相反的浮力来使空间可展开机械装置所受合力为零。当空间可展开机械装置展开时，由于气球体积大造成可悬吊点的数量有限以及展开过程中气球运动受到的空气的阻力较大，模拟零重力的状态有较大的失真。

水中悬浮方法，在空间可展开机械装置上悬吊气球或配重等，使得试验设备整体在水中所受浮力与重力相等，静止时达到合力为零。由于展开动作在水中进行，水阻力远大于空气，从而使得展开阻力很大，模拟真空零重力的状态有较大的失真，同时水可能对试验设备产生污染，此方法已较少采用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能真实模拟零重力、可应用于真空环境的主动追随式零重力模拟试验方法。

本发明的技术解决方案是：追随式零重力模拟试验方法，通过以下步骤实现：

第一步，制作主动追随式零重力模拟装置，

主动追随式零重力模拟装置包括：导轨、吊索、导轨支架、追随装置、驱动装置和控制计算机，导轨固定在导轨支架上，导轨与吊索通过金属圆环连接，吊索与空间可展开机械装置通过金属圆环连接，追随装置和控制计算机数据线连接，驱动装置和吊索连接，驱动装置和控制计算机数据线连接，追随装置和驱动装置安装在吊索与导轨的连接点即上点上；

第二步，空间可展开机械装置解锁展开，带动吊索在导轨上滑动，此时上点开始追随吊索与空间可展开机械装置的连接点即下点，使得吊索主动跟踪空间可展开机械装置；

第三步，控制计算机根据追随装置测量到的数据计算出吊索与基准铅垂线的半锥角θ；

第四步，控制计算机将计算得到的半锥角θ与控制计算机中预设的半锥角θ′对比，当θ≥θ′时，控制计算机根据吊索的偏移矢量，控制安装在上点的驱动装置带动吊索反方向移动相应的矢量，使吊索与地重新铅垂，其中偏移矢量是吊索从主动追随式零重力模拟装置静止时的位置移动到当前位置的距离和方向；

第五步，不断重复第三步和第四步，使吊索始终保持与地铅垂，确保空间可展开机械装置在展开过程中所受的合力为零。

所述第一步的追随装置包括激光接收器码盘和始终铅垂向上发射激光束的激光管，激光接收器码盘安装在上点处，激光管安装在下点处。

所述第一步的追随装置包括万向节和陀螺，万向节通过连接螺栓安装在上点，陀螺与万向节通过连接螺栓连接，陀螺与控制计算机通过电缆连接。

所述第三步的半锥角 $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{s}{l},$ 其中l为主动追随式零重力模拟装置静止时吊索上下点之间的距离，s为当前激光接收器码盘接受到的激光位置与主动追随式零重力模拟装置静止时激光接收器码盘接收到的激光位置的距离。

所述第三步的半锥角 $\mathrm{\θ}=\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2},$ 其中α、β是陀螺测量的万向节在Z轴对地的笛卡儿坐标系下绕X、Y轴旋转的角度。

所述第四步控制计算机中预设的半锥角θ′由吊索的长度、空间可展开机械装置的机构形式和试验状态决定。

所述的导轨为二自由度导轨。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用主动驱动装置，使上点主动追随下点，使得吊索主动跟踪空间可展开的机械装置，解决了阻力大的缺点，能够更好地模拟零重力状态。

(2)本发明能够应用于真空环境中的展开试验。

(3)本发明由于克服了阻力和外界干扰力，不仅能适用于太阳翼等尺寸较大、较重的空间可展开的机械装置，而且也可适用于轻质伸杆等空间可展开的机械装置的展开。

附图说明

图1为本发明实施例1的装置结构示意图；

图2为图1A部分局部放大图；

图3为本发明实施例2的装置结构示意图；

图4为图2B部分局部放大图；

图5为本发明流程图。

具体实施方式

实施例以四根吊索为例，在每根吊索上都安装独立的驱动装置和追随装置，使每根吊索独立工作，吊索数量可根据空间可展开机械装置的大小和重量确定。本发明所用的驱动装置是可实现吊索移动的装置，如电机。

实施例1、

如图1、2所示，本发明的主动追随式零重力模拟装置包括二自由度导轨1、吊索2、导轨支架3、激光接收器码盘5、激光管6、驱动装置7和控制计算机，二自由度导轨1通过连接螺栓固定在导轨支架3上，二自由度导轨1与吊索2通过金属圆环连接，吊索2与空间可展开机械装置4通过金属圆环连接，激光接收器码盘5和控制计算机数据线连接，驱动装置7通过连接螺栓与吊索2连接，驱动装置7和控制计算机数据线连接，激光接收器码盘5和驱动装置7安装在吊索2与二自由度导轨1的连接点即上点上；激光管6始终铅垂向上发射激光束，安装在吊索2与空间可展开机械装置4的连接点即下点处。设置未工作时激光接收器码盘5接收的信号位置为零点。

工作过程，如图5所示：

1)在控制计算机中根据吊索2的长度、空间可展开机械装置4的机构形式和试验状态确定预设的半锥角θ′大小，半锥角为吊索2和基准铅垂线两者所成的夹角。由于角度越大，空间可展开机械装置运动过程中受到的摩擦力就越大，零重力状态就会被破坏，一般预设的半锥角θ′≤0.5°。

2)被追随的空间可展开机械装置4解锁展开，上点开始追随下点，使得吊索2主动跟踪空间可展开的机械装置4。

3)激光接收器码盘5将接收到的激光管6发出的激光位置通过数据线传递到控制计算机，控制计算机根据公式 $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{s}{l},$ 计算出吊索2与基准铅垂线的半锥角θ，其中l为主动追随式零重力模拟装置静止时吊索2上下点之间的距离，s为当前激光接收器码盘5接受到的激光位置与主动追随式零重力模拟装置静止时激光接收器码盘5接收到的激光位置的距离。

4)控制计算机将计算得到的半锥角θ与预设的半锥角θ′对比，当θ≥θ′时，控制计算机根据激光接收器码盘5测得的吊索2的偏移矢量，控制安装在上点的驱动装置7带动吊索2反方向移动相应的矢量，使吊索2与地重新铅垂，其中偏移矢量是吊索2从主动追随式零重力模拟装置静止时的位置移动到当前位置的距离和方向。

5)控制计算机不断地根据激光接收器码盘5将接收到的激光位置计算半锥角θ，与预设的半锥角θ′对比，当θ<θ′时，控制计算机再计算当前时刻的半锥角θ，与预设的半锥角θ′对比，当θ≥θ′时，控制计算机控制安装在上点的驱动装置7带动吊索2反方向移动相应的矢量，使吊索2始终保持与地铅垂，确保空间可展开机械装置4在展开过程中所受的合力为零。

实施例2、

如图3、4所示，本发明的主动追随式零重力模拟装置包括二自由度导轨1、吊索2、导轨支架3、驱动装置7、万向节8、陀螺9和控制计算机，二自由度导轨1通过连接螺栓固定在导轨支架3上，二自由度导轨1与吊索2通过金属圆环连接，吊索2与空间可展开机械装置4通过金属圆环连接，陀螺9和控制计算机数据线连接，万向节8通过连接螺栓安装在上点，陀螺9通过连接螺栓与万向节8连接，驱动装置7通过连接螺栓与吊索2连接，驱动装置7和控制计算机数据线连接，驱动装置7安装在吊索2与二自由度导轨1的连接点即上点上；未工作时陀螺9接收的信号位置为零点。

工作过程，如图5所示：

1)在控制计算机中根据吊索2的长度、空间可展开机械装置4的机构形式和试验状态确定预设的半锥角θ′大小，半锥角为吊索2和基准铅垂线两者所成的夹角。由于角度越大，空间可展开机械装置运动过程中受到的摩擦力就越大，零重力状态就被破坏，一般预设的半锥角θ′≤0.5°。

2)被追随的空间可展开机械装置4解锁展开，上点开始追随下点，使得吊索2主动跟踪空间可展开的机械装置4。

3)陀螺9对万向节8在Z轴对地的笛卡儿坐标系下，绕X、Y轴旋转的角度α、β进行测量，控制计算机依据陀螺9测量的α、β，根据公式 $\mathrm{\&theta;}=\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2}$ 计算半锥角；

4)控制计算机将计算得到的半锥角θ与预设的半锥角θ′对比，当θ≥θ′时，控制计算机根据陀螺9测量的旋转的角度α、β，控制安装在上点的驱动装置7带动吊索2反方向旋转，使吊索2与地重新铅垂。

5)控制计算机不断地计算半锥角θ，与预设的半锥角θ′对比，当θ<θ′时，控制计算机再计算当前时刻的半锥角θ，与预设的半锥角θ′对比，当θ≥θ′时，控制计算机控制安装在上点的驱动装置7带动吊索2反方向旋转相应的角度，使吊索2始终保持与地铅垂，确保空间可展开机械装置4在展开过程中所受的合力为零。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1、追随式零重力模拟试验方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，制作主动追随式零重力模拟装置，

主动追随式零重力模拟装置包括：导轨(1)、吊索(2)、导轨支架(3)、追随装置、驱动装置(7)和控制计算机，导轨(1)固定在导轨支架(3)上，导轨(1)与吊索(2)通过金属圆环连接，吊索(2)与空间可展开机械装置(4)通过金属圆环连接，追随装置和控制计算机数据线连接，驱动装置(7)和吊索(2)连接，驱动装置(7)和控制计算机数据线连接，追随装置和驱动装置(7)安装在吊索(2)与导轨(1)的连接点即上点上；

第二步，空间可展开机械装置(4)解锁展开，带动吊索(2)在导轨(1)上滑动，此时上点开始追随吊索(2)与空间可展开机械装置(4)的连接点即下点，使得吊索(2)主动跟踪空间可展开机械装置(4)；

第三步，控制计算机根据追随装置测量到的数据计算出吊索(2)与基准铅垂线的半锥角θ；

第四步，控制计算机将计算得到的半锥角θ与控制计算机中预设的半锥角θ′对比，当θ≥θ′时，控制计算机根据吊索(2)的偏移矢量，控制安装在上点的驱动装置(7)带动吊索(2)反方向移动相应的矢量，使吊索(2)与地重新铅垂，其中偏移矢量是吊索(2)从主动追随式零重力模拟装置静止时的位置移动到当前位置的距离和方向；

第五步，不断重复第三步和第四步，使吊索(2)始终保持与地铅垂，确保空间可展开机械装置(4)在展开过程中所受的合力为零。

2、根据权利要求1所述的追随式零重力模拟试验方法，其特征在于：所述第一步的追随装置包括激光接收器码盘(5)和始终铅垂向上发射激光束的激光管(6)，激光接收器码盘(5)安装在上点处，激光管(6)安装在下点处。

3、根据权利要求1所述的追随式零重力模拟试验方法，其特征在于：所述第一步的追随装置包括万向节(8)和陀螺(9)，万向节(8)通过连接螺栓安装在上点，陀螺(9)与万向节(8)通过连接螺栓连接，陀螺(9)与控制计算机通过电缆连接。

4、根据权利要求1所述的追随式零重力模拟试验方法，其特征在于：所述第三步的半锥角 $\mathrm{\&theta;}=\mathrm{arctg}\frac{s}{l},$ 其中l为主动追随式零重力模拟装置静止时吊索(2)上下点之间的距离，s为当前激光接收器码盘(5)接受到的激光位置与主动追随式零重力模拟装置静止时激光接收器码盘(5)接收到的激光位置的距离。

5、根据权利要求1所述的追随式零重力模拟试验方法，其特征在于：所述第三步的半锥角 $\mathrm{\&theta;}=\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2},$ 其中α、β是陀螺(9)测量的万向节(8)在Z轴对地的笛卡儿坐标系下绕X、Y轴旋转的角度。

6、根据权利要求1所述的追随式零重力模拟试验方法，其特征在于：所述第四步控制计算机中预设的半锥角θ′由吊索(2)的长度、空间可展开机械装置(4)的机构形式和试验状态决定。

7、根据权利要求1所述的追随式零重力模拟试验方法，其特征在于：所述的导轨(1)为二自由度导轨。

8、根据权利要求1所述的追随式零重力模拟试验方法，其特征在于：所述的驱动装置(7)是电机。

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