空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置，適用于初步檢驗(yàn)空間系繩系統(tǒng)長(zhǎng)系繩展開(kāi)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)模型和控制理論研究成果，可以測(cè)試不同擾動(dòng)作用下系統(tǒng)和控制算法的可靠性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系繩可循環(huán)使用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間系繩系統(tǒng)是通過(guò)系繩將小航天器與基站航天器連接起來(lái)而形成的新型空間 飛行器，是非常有前景的空間科學(xué)發(fā)展方向。它在近地空間和深空探測(cè)方面具有廣闊的應(yīng) 用前景，如產(chǎn)生人造重力、空間運(yùn)輸、從軌道上回收有效載荷、從空間站上發(fā)射小衛(wèi)星、利用 地球地磁場(chǎng)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)、建造軌道電站、探測(cè)大氣層及地磁場(chǎng)和重力場(chǎng)等。在空間系繩系 統(tǒng)的研究與應(yīng)用過(guò)程中，研制系繩展開(kāi)控制機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)并建立地面模擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi) 展地面試驗(yàn)驗(yàn)證研究是一項(xiàng)基礎(chǔ)而非常重要的工作。地面模擬試驗(yàn)裝置是用來(lái)初步檢驗(yàn)航 天系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和控制理論研究成果的重要工具，通常作為代價(jià)昂貴且耗時(shí)的在軌飛行實(shí)驗(yàn) 的必要準(zhǔn)備步驟。南京航空航天大學(xué)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目"繩系控制系統(tǒng)非線性動(dòng)力 學(xué)：理論和實(shí)驗(yàn)研究"（編號(hào)：10372039)在借鑒國(guó)外研究成果基礎(chǔ)之上根據(jù)天-地動(dòng)力學(xué) 相似原理，設(shè)計(jì)了圓軌道系繩衛(wèi)星面內(nèi)運(yùn)動(dòng)地面試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)在于利用氣 墊和噴氣模擬系繩系統(tǒng)的空間動(dòng)力學(xué)環(huán)境，如重力梯度和科氏力。但仍存在不足之處，由 于地面試驗(yàn)系統(tǒng)的空間局限性，系繩展開(kāi)最大長(zhǎng)度僅為3m，而實(shí)際空間系繩系統(tǒng)的系繩長(zhǎng) 度可達(dá)幾十公里。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0004] 本發(fā)明的第一個(gè)目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種系繩可重復(fù)利用且 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適用于長(zhǎng)達(dá)幾十公里的長(zhǎng)系繩展開(kāi)測(cè)試試驗(yàn)的地面試驗(yàn)裝置。
[0005] 本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種采用了上述地面試驗(yàn)裝置完成基站航天器上 系繩釋放長(zhǎng)度的測(cè)量和制動(dòng)控制功能以及小航天器上系繩對(duì)基站航天器作用的模擬，可以 初步檢驗(yàn)空間系繩系統(tǒng)長(zhǎng)系繩展開(kāi)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)模型和控制理論研究成果，測(cè)試不同擾動(dòng) 作用下系統(tǒng)和控制算法的可靠性。
[0006] 技術(shù)方案
[0007] -種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置，其特征在于包括底座1、定滑輪2、測(cè)速機(jī)構(gòu)、制 動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、張力測(cè)量機(jī)構(gòu)和空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)；定滑輪2、測(cè)速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、張力 測(cè)量機(jī)構(gòu)和空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)固定安裝在底座1上；所述測(cè)速機(jī)構(gòu)包括測(cè)速輪401、磁鐵 402、導(dǎo)向桿3、霍爾傳感器403和第一支座404,測(cè)速輪401安裝在第一支座404上，測(cè)速輪 401輪盤(pán)的一面上均勻安裝有四塊磁鐵402,與磁鐵直接靠近的第一支座404的一側(cè)上固定 一個(gè)霍爾傳感器403,導(dǎo)向桿3位于霍爾傳感器403外側(cè)，系繩5纏繞測(cè)速輪401 -圈，系 繩5釋放過(guò)程中帶動(dòng)測(cè)速輪401轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器403感應(yīng)磁鐵產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量測(cè)速 輪401的轉(zhuǎn)數(shù)；所述制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)包括控制電機(jī)601和摩擦輪602,系繩5纏繞摩擦輪602 一圈，控制電機(jī)601帶動(dòng)摩擦輪602轉(zhuǎn)動(dòng)，與系繩5之間產(chǎn)生摩擦力來(lái)控制系繩5釋放速 度；所述張力測(cè)量機(jī)構(gòu)包括第二支座701和應(yīng)變傳感器702,應(yīng)變傳感器702安裝在第二支 座701上，系繩5穿過(guò)第二支座701產(chǎn)生彈性形變通過(guò)應(yīng)變傳感器702測(cè)量系繩張力；所述 空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)包括上皮帶輪802、下皮帶輪803、張緊輪805、皮帶804、支架801和隨動(dòng) 電機(jī)806,上皮帶輪802、下皮帶輪803和張緊輪805安裝在支架801上，系繩5纏繞張緊輪 805半圈，上皮帶輪802、下皮帶輪803和皮帶804使系繩5嵌入張緊輪805中，以防系繩5 跟張緊輪805產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，隨動(dòng)電機(jī)806控制張緊輪805轉(zhuǎn)動(dòng)，張緊輪805的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)系 繩5釋放，以此來(lái)模擬空間環(huán)境重力梯度力。
[0008] 所述的摩擦輪602上涂有防滑材料。
[0009] 所述定滑輪2設(shè)有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，系繩通過(guò)定滑輪上面的轉(zhuǎn)輪和測(cè)速輪相連，下面的 轉(zhuǎn)輪通過(guò)系繩和定滑輪上面的轉(zhuǎn)輪相連，使系繩釋放后又進(jìn)行回收，循環(huán)使用。
[0010] 有益效果
[0011] 本發(fā)明提出的一種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置，適用于初步檢驗(yàn)空間系繩系統(tǒng)長(zhǎng) 系繩展開(kāi)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)模型和控制理論研究成果，可以測(cè)試不同擾動(dòng)作用下系統(tǒng)和控制算 法的可靠性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系繩可循環(huán)使用。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置俯視圖
[0013] 圖2空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置主視圖
[0014] 圖3系繩長(zhǎng)度測(cè)量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
[0015] 圖4空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
[0016] 1-底座；2-定滑輪；3-導(dǎo)向桿；401-測(cè)速輪；402-磁鐵；403-霍爾傳感器；404-第 一支座；5-系繩；601-控制電機(jī)；602-摩擦輪；701-第二支座；702-應(yīng)變傳感器；801-支 架；802-上皮帶輪；803-下皮帶輪；804-皮帶；805-張緊輪；806-隨動(dòng)電機(jī)；

【具體實(shí)施方式】
[0017] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0018] 本發(fā)明所述的一種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置，包括底座1、定滑輪2、測(cè)速機(jī)構(gòu)、 制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、張力測(cè)量機(jī)構(gòu)和空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)；定滑輪2、測(cè)速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、張 力測(cè)量機(jī)構(gòu)和空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)固定安裝在底座1上；定滑輪2設(shè)有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，系繩通過(guò)定 滑輪上面的轉(zhuǎn)輪和測(cè)速輪相連，下面的轉(zhuǎn)輪通過(guò)系繩和定滑輪上面的轉(zhuǎn)輪相連，使系繩釋 放后又進(jìn)行回收，循環(huán)使用；所述測(cè)速機(jī)構(gòu)包括測(cè)速輪401、磁鐵402、導(dǎo)向桿3、霍爾傳感器 403和第一支座404,測(cè)速輪401安裝在第一支座404上，測(cè)速輪401輪盤(pán)的一面上均勻安 裝有四塊磁鐵402,與磁鐵直接靠近的第一支座404的一側(cè)上固定一個(gè)霍爾傳感器403,導(dǎo) 向桿3位于霍爾傳感器403外側(cè)，系繩5纏繞測(cè)速輪401 -圈，系繩5釋放過(guò)程中帶動(dòng)測(cè)速 輪401轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器403感應(yīng)磁鐵產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量測(cè)速輪401的轉(zhuǎn)數(shù)；所述制動(dòng)控 制機(jī)構(gòu)包括控制電機(jī)601和摩擦輪602,系繩5纏繞摩擦輪602 -圈，摩擦輪602上涂有防 滑材料，控制電機(jī)601帶動(dòng)摩擦輪602轉(zhuǎn)動(dòng)，與系繩5之間產(chǎn)生摩擦力來(lái)控制系繩5釋放速 度；所述張力測(cè)量機(jī)構(gòu)包括第二支座701和應(yīng)變傳感器702,應(yīng)變傳感器702安裝在第二支 座701上，系繩5穿過(guò)第二支座701產(chǎn)生彈性形變通過(guò)應(yīng)變傳感器702測(cè)量系繩張力；所述 空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)包括上皮帶輪802、下皮帶輪803、張緊輪805、皮帶804、支架801和隨動(dòng) 電機(jī)806,上皮帶輪802、下皮帶輪803和張緊輪805安裝在支架801上，系繩5纏繞張緊輪 805半圈，上皮帶輪802、下皮帶輪803和皮帶804使系繩5嵌入張緊輪805中，以防系繩5 跟張緊輪805產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，隨動(dòng)電機(jī)806控制張緊輪805轉(zhuǎn)動(dòng)，張緊輪805的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)系 繩5釋放，以此來(lái)模擬空間環(huán)境重力梯度力。
[0019] 本發(fā)明空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置通過(guò)基站航天器上的設(shè)備模塊和小航天器上 的設(shè)備模塊來(lái)完成空間系繩系統(tǒng)地面展開(kāi)試驗(yàn)?；竞教炱魃系脑O(shè)備模塊完成所釋放的系 繩長(zhǎng)度、速度的測(cè)量和制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的控制；小航天器上的設(shè)備模塊完成空間環(huán)境的模擬 以及系繩張力的測(cè)量。
[0020] 基站航天器上的設(shè)備模塊包括測(cè)速機(jī)構(gòu)和制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，完成基站航天器上的對(duì) 系繩展開(kāi)長(zhǎng)度、速度的測(cè)量，并通過(guò)改變系繩與摩擦輪之間的摩擦力，進(jìn)而改變系繩運(yùn)動(dòng)速 度和張力，來(lái)控制空間系繩系統(tǒng)的展開(kāi)過(guò)程。系繩釋放長(zhǎng)度可以通過(guò)測(cè)量系繩纏繞的測(cè)速 輪轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算，從而可以得到系繩釋放的速度。測(cè)速輪的材料應(yīng)保證與系繩良好的接合，避 免打滑。測(cè)速輪輪盤(pán)上安裝有磁鐵，為了測(cè)速輪上的平衡，安裝四個(gè)磁鐵，而在與磁鐵直接 靠近的支架上固定一個(gè)霍爾傳感器作為敏感元件，從而測(cè)量測(cè)速輪的轉(zhuǎn)數(shù)。測(cè)速輪半徑為R =15. 92cm，根據(jù)圓周長(zhǎng)公式有L = 2 π R = lm，那么展開(kāi)一米系繩內(nèi)將產(chǎn)生4脈沖，可在微 控制器中計(jì)算這些脈沖。測(cè)速輪轉(zhuǎn)一圈相當(dāng)于系繩釋放lm，計(jì)算每秒的轉(zhuǎn)數(shù)，即得到系繩釋 放速度。地面試驗(yàn)開(kāi)始運(yùn)行后，將會(huì)利用張力測(cè)量機(jī)構(gòu)的應(yīng)變傳感器信號(hào)作為輸入信號(hào)，制 動(dòng)控制機(jī)構(gòu)作為控制裝置對(duì)系繩釋放過(guò)程進(jìn)行控制。制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)控制可以保證系繩張力 任務(wù)的最大精度，最小制動(dòng)力0. 01N，最大制動(dòng)力5N。制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)利用步進(jìn)控制電機(jī)使摩 擦輪與系繩之間產(chǎn)生摩擦力來(lái)控制釋放速度。當(dāng)控制電機(jī)與隨動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不一致時(shí)摩擦輪 與系繩之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)從而產(chǎn)生摩擦力，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電機(jī)與隨動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)差來(lái)改變 系繩對(duì)摩擦輪的摩擦力，進(jìn)而改變系繩運(yùn)動(dòng)速度和張力，來(lái)控制空間系繩系統(tǒng)的展開(kāi)過(guò)程。
[0021] 小航天器上的設(shè)備模塊包括張力測(cè)量機(jī)構(gòu)和空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小航天器 上對(duì)系繩張力的測(cè)量以及系繩對(duì)基站航天器的重力梯度力作用。張力測(cè)量機(jī)構(gòu)對(duì)系繩 進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，系繩展開(kāi)過(guò)程中張力在〇. 01-3N范圍內(nèi)變化，根據(jù)這個(gè)要求，選擇Vishay Precision Group公司的應(yīng)變傳感器1004型作為系繩張力測(cè)量敏感元件，這個(gè)應(yīng)變傳感器 的測(cè)量上限為300gf (約3N)。根據(jù)上述測(cè)速機(jī)構(gòu)測(cè)得的系繩所釋放的長(zhǎng)度計(jì)算重力作用 差，即重力梯度力。根據(jù)張力測(cè)量機(jī)構(gòu)所測(cè)得的張力與重力梯度力的關(guān)系來(lái)設(shè)定隨動(dòng)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速。上下皮帶輪和皮帶使系繩緊緊嵌入張緊輪中，以防系繩跟張緊輪產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，隨 動(dòng)電機(jī)控制張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)，張緊輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)系繩釋放，以此來(lái)模擬空間環(huán)境。
[0022] 本實(shí)施例提供的地面試驗(yàn)裝置能夠控制釋放速度在0-25m/s之間任意變化并且 提供超過(guò)25N的拉力，適用于初步檢驗(yàn)空間系繩系統(tǒng)長(zhǎng)系繩展開(kāi)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)模型和控制 理論研究成果，可以測(cè)試不同擾動(dòng)作用下系統(tǒng)和控制算法的可靠性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系繩可循 環(huán)使用。
【權(quán)利要求】
1. 一種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置，其特征在于包括底座（1)、定滑輪（2)、測(cè)速機(jī) 構(gòu)、制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、張力測(cè)量機(jī)構(gòu)和空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)；定滑輪（2)、測(cè)速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)控制機(jī) 構(gòu)、張力測(cè)量機(jī)構(gòu)和空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)固定安裝在底座（1)上；所述測(cè)速機(jī)構(gòu)包括測(cè)速輪 (401)、磁鐵（402)、導(dǎo)向桿（3)、霍爾傳感器（403)和第一支座（404)，測(cè)速輪（401)安裝在 第一支座（404)上，測(cè)速輪（401)輪盤(pán)的一面上均勻安裝有四塊磁鐵（402)，與磁鐵直接 靠近的第一支座（404)的一側(cè)上固定一個(gè)霍爾傳感器（403)，導(dǎo)向桿（3)位于霍爾傳感器 (403)外側(cè)，系繩（5)纏繞測(cè)速輪（401) -圈，系繩（5)釋放過(guò)程中帶動(dòng)測(cè)速輪（401)轉(zhuǎn)動(dòng)， 霍爾傳感器（403)感應(yīng)磁鐵產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量測(cè)速輪（401)的轉(zhuǎn)數(shù)；所述制動(dòng)控制機(jī)構(gòu) 包括控制電機(jī)（601)和摩擦輪￠02)，系繩（5)纏繞摩擦輪（602) -圈，控制電機(jī)（601)帶 動(dòng)摩擦輪（602)轉(zhuǎn)動(dòng)，與系繩（5)之間產(chǎn)生摩擦力來(lái)控制系繩（5)釋放速度；所述張力測(cè) 量機(jī)構(gòu)包括第二支座（701)和應(yīng)變傳感器（702)，應(yīng)變傳感器（702)安裝在第二支座（701) 上，系繩（5)穿過(guò)第二支座（701)產(chǎn)生彈性形變通過(guò)應(yīng)變傳感器（702)測(cè)量系繩張力；所 述空間環(huán)境模擬機(jī)構(gòu)包括上皮帶輪（802)、下皮帶輪（803)、張緊輪（805)、皮帶（804)、支 架（801)和隨動(dòng)電機(jī)（806)，上皮帶輪（802)、下皮帶輪（803)和張緊輪（805)安裝在支架 (801)上，系繩（5)纏繞張緊輪（805)半圈，上皮帶輪（802)、下皮帶輪（803)和皮帶（804) 使系繩（5)嵌入張緊輪（805)中，以防系繩（5)跟張緊輪（805)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，隨動(dòng)電機(jī) (806)控制張緊輪（805)轉(zhuǎn)動(dòng)，張緊輪（805)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)系繩（5)釋放，以此來(lái)模擬空間環(huán) 境重力梯度力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的摩擦輪 (602)上涂有防滑材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間系繩系統(tǒng)地面試驗(yàn)裝置，其特征在于所述定滑輪 (2)設(shè)有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，系繩通過(guò)定滑輪上面的轉(zhuǎn)輪和測(cè)速輪相連，下面的轉(zhuǎn)輪通過(guò)系繩和定滑 輪上面的轉(zhuǎn)輪相連，使系繩釋放后又進(jìn)行回收，循環(huán)使用。
【文檔編號(hào)】B64G7/00GK104058111SQ201410239255
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】王長(zhǎng)青, 李?lèi)?ài)軍, 杜崇剛, 王鑫, 王盼冰 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)