CN107680466A - 液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，包括搭载实验体模型并为实验体模型提供水阻力补偿力和剩余重力补偿力的通用载荷平台，通用载荷平台也为自身提供水阻力补偿力和随动力，实验体模型搭载在通用载荷平台上方。本发明不仅充分考虑了通用载荷平台的结构特点、任务要求与运动特性，而且也考虑了通用载荷平台与实验体模型组合体的结构特点与运动特性。通用载荷平台使用该推力器布局方案后，能顺利完成剩余重力补偿与阻力补偿任务，从而使得微重力实验能充分地验证航天器的新技术，为航天器的成功研制增加了新的手段。

Description

液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***
技术领域
本发明属于地面微重力效应模拟及航天器地面微重力实验领域，具体涉及一种液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***。
背景技术
一种新的航天器，在发射入轨前，必须对其新技术进行验证，地面微重力实验是一种重要的验证手段。在磁液混合悬浮微重力环境中进行航天器的微重力实验，具备诸多优点。
在磁液混合悬浮水池中进行航天器的微重力实验，需要通用载荷平台来搭载实验体模型。实验体模型即与真实航天器相似，相对于真实航天器缩小或放大的模型。通用载荷平台即用来搭载实验体模型，并补偿验体模型的水阻力与剩余重力的平台。进行实验时，通用载荷平台要完成以上任务，就需要配置推进器***。
在推进器***的设计中，推进器布局十分重要。进行通用载荷平台推进器的布局，需要考虑通用载荷平台的结构特点、任务要求与运动特性来进行。进行实验时，通用载荷平台与实验体模型构成一个组合体，所以进行推进器布局，也需要考虑组合体的结构特点与运动特性。
通用载荷平台由剩余重力补偿***、控制与执行机构、载荷搭载***组成。剩余重力补偿***的主体为圆柱体或长方体的永磁铁，永磁铁中，与底面平行的截面关于中心线轴对称。控制与执行机构的主要部分为推进器组。载荷搭载***是一个三框架结构，内框架搭载实验体模型，实验体模型的质心分别通过三个框架的转轴。外框架通过连接杆与剩余重力补偿***固连。实验前按照这种方式将实验体模型与通用载荷平台组装在一起，形成一个组合体。进行实验时，实验体模型位于组合体的上方，通用载荷平台位于组合体的下方，由于载荷搭载***是三框架结构，所以组合体的两个分体姿态解耦。
通用载荷平台有两项任务，其中一项是对实验体模型的剩余重力进行补偿。实验体模型剩余重力的特性，决定了通用载荷平台的部分任务要求。因为实验体模型的剩余重力作用点位于其质心，并且沿着铅垂线方向，而剩余重力补偿力应该与剩余重力大小相等，方向相反，所以剩余重力补偿力也应该沿着铅垂方向并且通过实验体模型的质心。剩余重力补偿力由剩余重力补偿***生成，剩余重力补偿***的永磁铁在分布式电磁场中产生电磁力，电磁力最终形成剩余重力补偿力。由于剩余重力补偿力铅直并且通过实验体模型质心，所以要求电磁力方向也铅直并且通过实验体模型质心。又因为分布式电磁场的磁场线沿着铅直方向，所以在实验过程中，永磁铁底面就应该保持水平，并且其底面中心线通过实验体模型质心。
在航天器的地面微重力实验之中，有时要求实验体模型质心在三维空间内进行运动。而实验过程中，要求永磁铁底面中心线通过实验体模型质心，这就决定了实验过程中，永磁铁应该与实验体模型保持质心运动一致，也就是要求剩余重力补偿***与实验体模型保持质心运动一致，即通用载荷平台的质心与实验体模型质心保持随动，显然通用载荷平台的质心也需要进行三维运动。这就要求推进器***为通用载荷平台提供三维随动力。在通用载荷平台中，剩余重力补偿***的质量远远大于其它部件的质量，所以通用载荷平台所提供的随动力主要施加在剩余重力补偿***上。
通用载荷平台的另一项功能是对实验体模型的水阻力进行补偿，精确的水阻力补偿是微重力实验成功的关键。实验体模型的水阻力方向与实验体模型的运动方向相反，并且经过实验体模型质心，所以通用载荷平台所提供的水阻力补偿力也应该通过实验体模型的质心。由于某些情况下，实验体模型的质心运动三维空间中进行，所以要求通用载荷平台能提供三维空间内任意方向的水阻力补偿力，水阻力补偿力的作用点应该在实验体模型的质心上。
综上所述，通用载荷平台的推进器***需要为通用载荷平台提供三维的随动力，并为实验体模型提供三维的水阻力补偿力。通用载荷平台的随动力包含通用载荷平台的水阻力补偿力以及维持随动加速度所需的力，实验体模型进行质心运动的动力由自身的推进器提供。实验过程中，通用载荷平台的质心与实验体模型的质心在同一铅垂线上，所以对于铅垂方向的随动力与水阻力补偿力，可用使用相同的推进器组提供。在铅垂方向，通用载荷平台的质心与实验体模型的质心相隔较远，对于水平面内的随动力与水阻力补偿力，按照传统的推进器布局思路，将水平面内的推进器组的推力平面布置在组合体的质心上，由于实验体模型质心运动的动力由其自身推进器提供，所以传统的推进器布局并不能达到预期的效果，实现实验体模型水阻力的精确补偿。此外，对于实验体模型的水阻力补偿而言，可能需要根据实际的实验结果调整阻力补偿策略，传统的推进器布局，通用载荷平台的随动力与水阻力补偿力由同一推进器组提供，无法对阻力补偿策略进行针对性调整。
此外，实验体模型的质心通过载荷搭载***三个框架的转轴线，实验过程中，三框架结构内部的两个框架会绕转轴转动，外框架通过连接杆与剩余重力补偿***固连。在三框架结构上布置推力线通过实验体模型质心的推力器，需要考虑到三框架结构的这种特性。
综上所述，需要为通用载荷平台需要设计特殊的推力器布局方式，以保障实验体模型的剩余重力补偿、水阻力补偿顺利进行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，保障实验体模型的剩余重力补偿、水阻力补偿顺利进行。
为了达到上述目的，本发明包括搭载实验体模型并为实验体模型提供水阻力补偿力和剩余重力补偿力的通用载荷平台，通用载荷平台也为自身提供水阻力补偿力和随动力，实验体模型搭载在通用载荷平台上方。
所述通用载荷平台包括用于搭载实验体模型的载荷搭载***，载荷搭载***通过连杆连接剩余重力补偿***，连杆置于实验体模型与剩余重力补偿***的质心，连杆能够拆卸。
所述载荷搭载***包括外框架和内框架，内框架上连接有用于夹持实验体模型的第一夹持机构和第二夹持机构，外框架与连杆连接。
所述外框架的两侧分别设置有第一轴和第二轴，第一推进器安装杆和第二推进器安装杆分别与第一轴和第二轴共线，第一推进器安装杆和第二推进器安装杆所在直线通过实验体模型的质心，第一推进器安装杆上设置有第一推进器和第三推进器，第二推进器安装杆上设置有第二推进器和第四推进器，第一推进器和第二推进器的推力方向均通过实验体模型质心，第三推进器和第四推进器分别与第一推进器和第二推进器的推力方向垂直。
所述剩余重力补偿***的四个侧面上分别通过第三推进器安装杆、第四推进器安装杆、第五推进器安装杆和第六推进器安装杆安装对应的第五推进器、第六推进器、第七推进器和第八推进器。各推进器垂直安装于其对应的推进器安装杆上。第三推进器安装杆、第四推进器安装所在直线平行与第一推进器安装杆所在直线。
所述第三推进器安装杆与第四推进器安装杆同在一条直线上，第五推进器安装杆与第六推进器安装杆同在一条直线上，两条直线均与剩余重力补偿***的底面平行，两条直线垂直相交于剩余重力补偿***的质心。
所述连杆上垂直设置有第九推进器安装杆和第十推力安装杆，第九推进器和第十推进器分别设置在第九推进器安装杆和第十推进器安装杆上，第九推进器安装杆和第十推进器安装杆共线，第九推进器安装杆和第十推进器安装杆所在直线与连接杆垂直，第九推进器和第十推进器的推力方向与连接杆平行。
与现有技术相比，本发明设计了一种新的推力器布局方案，本发明不仅充分考虑了通用载荷平台的结构特点、任务要求与运动特性，而且也考虑了通用载荷平台与实验体模型组合体的结构特点与运动特性。通用载荷平台使用该推力器布局方案后，能顺利完成剩余重力补偿与阻力补偿任务，从而使得微重力实验能充分地验证航天器的新技术，为航天器的成功研制增加了新的手段。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明通用载荷平台结构示意图；
图3为本发明载荷搭载平台结构实验体；
图4为本发明外框架推力布局示意图；
图5为本发明剩余重力补偿***推力布局示意图；
图6为本发明连杆推力布局示意图；
图7为本发明中通用载荷平台固连坐标系实验体的示意图；
其中，1、第一推进器；2、第二推进器；3、第三推进器；4、第四推进器；5、第五推进器；6、第六推进器；7、第七推进器；8、第八推进器；9、第九推进器；10、第十推进器；11、通用载荷平台；12、实验体模型；13、载荷搭载***；14、连杆；15、剩余重力补偿***；16、外框架；17、内框架；18、第一夹持机构；19、第二夹持机构；20、第一轴；21、第二轴；22、第一推进器安装杆；23、第二推进器安装杆；24、第三推进器安装杆；25、第四推进器安装杆；26、第五推进器安装杆；27、第六推进器安装杆；28、第九推进器安装杆；29、第十推进器安装杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括搭载实验体模型12并为实验体模型12提供水阻力补偿力和剩余重力补偿力的通用载荷平台11，通用载荷平台11也为自身提供水阻力补偿力和随动力，实验体模型12搭载在通用载荷平台11上方。
参见图2，通用载荷平台11包括用于搭载实验体模型12的载荷搭载***13，载荷搭载***13通过连杆14连接剩余重力补偿***15，连杆14置于实验体模型12与剩余重力补偿***15的质心，连杆14能够拆卸。
参见图3和图4，载荷搭载***13包括外框架16和内框架17，内框架17上连接有用于夹持实验体模型12的第一夹持机构18和第二夹持机构19，外框架16与连杆14连接。外框架16的两侧分别设置有第一轴20和第二轴21，第一推进器安装杆22和第二推进器安装杆23分别与第一轴20和第二轴21共线，第一推进器安装杆22和第二推进器安装杆23所在直线通过实验体模型12的质心，第一推进器安装杆22上设置有第一推进器1和第三推进器3，第二推进器安装杆23上设置有第二推进器2和第四推进器4，第一推进器1和第二推进器2的推力方向均通过实验体模型20质心，第三推进器3和第四推进器4分别与第一推进器1和第二推进器2的推力方向垂直。
参见图5，剩余重力补偿***15的四个侧面上分别通过第三推进器安装杆24、第四推进器安装杆25、第五推进器安装杆26和第六推进器安装杆27安装对应的第五推进器5、第六推进器6、第七推进器7和第八推进器8。各推进器垂直安装于其对应的推进器安装杆上。第三推进器安装杆24、第四推进器安装所在直线平行与第一推进器安装杆22所在直线。
第三推进器安装杆24与第四推进器安装杆25同在一条直线上，第五推进器安装杆26与第六推进器安装杆27同在一条直线上，两条直线均与剩余重力补偿***15的底面平行，两条直线垂直相交于剩余重力补偿***15的质心。
参见图6和图7，连杆14上垂直设置有第九推进器安装杆28和第十推力安装杆29，第九推进器9和第十推进器10分别设置在第九推进器安装杆28和第十推进器安装杆29上，第九推进器安装杆28和第十推进器安装杆29共线，第九推进器安装杆28和第十推进器安装杆29所在直线与连接杆14垂直，第九推进器9和第十推进器10的推力方向与连接杆14平行。
如图5所示，定义通用载荷平台11的固连坐标系oGEPxyz：其原点为通用载荷平台的质心，x轴与第五推进器5和第六推进器6的推力方向平行，其方向如图5所示实。y轴与第七推进器7和第八推进器8的推力方向平行，正方向如图所示，z轴的方向根据右手定则确定下，第九推进器9、第十推进器10的推力方向与其平行。
在微重力实验中，若实验体模型12具有线运动，某一时刻，其加速度为aEM，其水阻力为为：FEM，水阻力在通用载荷平台固连坐标系中的分量为：[FEM-x FEM-y FEM-z]T。通用载荷平台11与实验体模型12保持随动所需要控制力为：FGEP，其在通用载荷平台固连坐标系中的分量为：[FGEP-x FGEP-y FGEP-z]T。则对于本发明的推进器布局，各推进器应该输出的推力如下：第五推进器5和第六推进器6的输出推力相同，为：第七推进器7和第八推进器8的输出推力相同，为：第三推进器3和第四推进器4，为：第一推进器1、第二推进器2是单向推进器，根据FEM-x的实际方向，选择其中一个推力器，并输出大小为FEM-x的推力。第九正向推进器9、第十正向推进器10的推力输出相同，为

Claims (7)

1.液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，其特征在于，包括实验体模型(12)，以及为实验体模型(12)提供水阻力补偿力和剩余重力补偿力的通用载荷平台(11)，通用载荷平台(11)还为自身提供水阻力补偿力和随动力，实验体模型(12)搭载在通用载荷平台(11)上方。
2.根据权利要求1所述的液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，其特征在于，所述通用载荷平台(11)包括用于搭载实验体模型(12)的载荷搭载***(13)，载荷搭载***(13)通过连杆(14)连接剩余重力补偿***(15)，连杆(14)所在直线通过实验体模型(12)与剩余重力补偿***(15)的质心，连杆(14)能够拆卸。
3.根据权利要求2所述的液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，其特征在于，所述载荷搭载***(13)包括外框架(16)和内框架(17)，内框架(17)上连接有用于夹持实验体模型(12)的第一夹持机构(18)和第二夹持机构(19)，外框架(16)与连杆(14)连接。
4.根据权利要求3所述的液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，其特征在于，所述外框架(16)的两侧分别设置有第一轴(20)和第二轴(21)，第一推进器安装杆(22)和第二推进器安装杆(23)分别与第一轴(20)和第二轴(21)共线，第一推进器安装杆(22)和第二推进器安装杆(23)所在直线通过实验体模型(12)的质心，第一推进器安装杆(22)上设置有第一推进器(1)和第三推进器(3)，第二推进器安装杆(23)上设置有第二推进器(2)和第四推进器(4)，第一推进器(1)和第二推进器(2)的推力方向均通过实验体模型(20)质心，第三推进器(3)和第四推进器(4)分别与第一推进器(1)和第二推进器(2)的推力方向垂直。
5.根据权利要求2所述的液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，其特征在于，所述剩余重力补偿***(15)的四个侧面上分别通过第三推进器安装杆(24)、第四推进器安装杆(25)、第五推进器安装杆(26)和第六推进器安装杆(27)安装对应的第五推进器(5)、第六推进器(6)、第七推进器(7)和第八推进器(8)，各推进器垂直安装于其对应的推进器安装杆上，第三推进器安装杆(24)、第四推进器安装杆(25)所在直线平行与第一推进器安装杆(22)所在直线。
6.根据权利要求5所述的液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，其特征在于，所述第三推进器安装杆(24)与第四推进器安装杆(25)同在一条直线上，第五推进器安装杆(26)与第六推进器安装杆(27)同在一条直线上，两条直线均与剩余重力补偿***(15)的底面平行，两条直线垂直相交于剩余重力补偿***(15)的质心。
7.根据权利要求2所述的液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器***，其特征在于，所述连杆(14)上垂直设置有第九推进器安装杆(28)和第十推力安装杆(29)，第九推进器(9)和第十推进器(10)分别设置在第九推进器安装杆(28)和第十推进器安装杆(29)上，第九推进器安装杆(28)和第十推进器安装杆(29)共线，第九推进器安装杆(28)和第十推进器安装杆(29)所在直线与连接杆(14)垂直，第九推进器(9)和第十推进器(10)的推力方向与连接杆(14)平行。
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