一种基于磁性恒力弹簧的微重力模拟装置

技术领域

本发明涉及一种基于磁性恒力弹簧的微重力模拟装置,可用于在地面试验中实现空间载荷的微重力状态等效，为剖析其空间运动状态提供便利。

背景技术

空间载荷在太空中通常处于微重力环境，而地面受重力影响通常不具备等效条件。环境的差异不仅会影响空间载荷本身的动力学特性，还会影响到载荷与其他设备进行碰撞交互时的动力学特性。而空间载荷的研发成本和发射成本都非常昂贵，因此，载荷在进入太空之前，需要开展充分的实验验证和测试。如何实现对空间载荷在地面的微重力状态模拟是亟需研究和解决的关键问题。

常用的微重力等效方式有：水浮法、悬吊法、抛物飞行法、气浮法。其中各种方法存在以下问题：

(1)水浮法：缺点是水的阻力和紊流会影响被试设备的动力学特性，影响空间环境模拟精度，被试设备必须进行专门防水处理，维护成本高，试验期间的密封性要求高。

(2)悬吊法：缺点是微重力模拟精度不高，支撑绳索的桁架机构复杂，占用空间大，绳索运动时所受摩擦力大，严重影响试验精度，主动式悬吊法易产生干涉，此外，绳索的柔性、抖动以及配重块的惯性效应等因素都会对微重力模拟带来不利影响。

(3)抛物飞行法：缺点是造价昂贵，被试设备外形尺寸、重量受限制，飞行的安全性需考虑，微重力模拟时间短。

(4)气浮法：缺点现有的设备是仅能实现在平面内的3个自由度的微重力模拟，采用气浮轴承造价较高、安装繁琐，设备维护昂贵且复杂。

因此，现有的微重力模拟装置很难对目标载荷实现全维度的等效。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于磁性恒力弹簧的微重力模拟装置，可以实现6个自由度的等效，实现空间载荷在地面真正意义上的六个方向上的自由，为开展地面试验提供硬件基础。

本发明的技术解决方案是：

一种基于磁性恒力弹簧的微重力模拟装置，包括：平台框架组件、直线轴承组件、磁性恒力弹簧组件与目标载荷组件；

平台框架组件提供基本平台，用于安装其他组件；直线轴承组件固连在平台框架组件上，承托目标载荷组件，使得目标载荷组件可沿直线轴承组件轴向滑动，目标载荷组件用于模拟载荷的形状特点；磁性恒力弹簧组件为目标载荷组件提供向上的稳定不变的拉力，使得磁性恒力弹簧的输出力抵消目标载荷组件的重力，实现微重力等效。

进一步的，所述平台框架组件包括：铝型材、角码、配重杆、配重块、气足和底板；铝型材搭建成长方体骨架结构，在定滑轮安装处设置加强筋，在互相垂直的铝型材连接处使用角码增加整套装置的稳定度；底板位于长方体骨架结构得底面，底板上固定有配重杆，配重块套在配重杆上，并通过螺母拧紧固定，配重块用于将整个装置调整到与模拟目标物的惯量特性相同；气足固定在底板下方，提供水平两个方向与竖直转动方向的自由度。

进一步的，所述直线轴承组件包括：轴承本体、轴承直套筒、轴承球套筒、圆筒、安装板、紧固螺母、挡圈、轴承座、轴承托；

轴承本体外部套有轴承直套筒，二者组合体套在轴承球套筒之中，轴承本体、轴承直套筒、轴承球套筒所形成的组合体安放在轴承座中，轴承座通过牙肩限位、螺钉连接的方式套装在轴承托内实现限位，轴承本体底部距离安装板上表面之间的距离h为目标载荷组件中伸出的中间直杆在轴承本体内上下滑动的量；挡圈安装在轴承球套筒的下方，同时挡圈通过紧固螺母固定，两者共同对轴承球套筒实现下限位，安装板一面与轴承直套筒相连，另一面与平台框架组件中的铝型材固定；轴承球套筒中心开有通孔，轴承本体穿插其中，轴承球套筒两端加工有球头结构。

进一步的，直线轴承组件在垂直方向上具备一定的余量。

进一步的，所述距离h即为目标载荷组件沿竖直方向的移动量。

进一步的，微重力模拟装置模拟的试验对象为通用卫星。

进一步的，所述目标载荷组件包括：目标载荷本体、中间直杆、第一载荷连接件、第二载荷连接件、夹紧块、球轴承组件、配重调节杆；其中中间直杆、夹紧块、球轴承组件、配重调节杆为模拟装置，目标载荷本体、第一载荷连接件、第二载荷连接件为试验对象；

目标载荷本体与球轴承组件固连，目标载荷本体通过第一载荷连接件加固，防止目标载荷本体变形；中间直杆套在球轴承组件里，夹紧块固定球轴承组件相对于中间直杆的位置，保证球轴承组件与中间直杆保持相同的上下运动，两者之间无相对滑动；第二载荷连接件一端固定在球轴承组件上，另一端固定在第一载荷连接件上，第二载荷连接件用于加固载荷；球轴承组件位于目标载荷组件的中央位置；

配重调节杆两端通过法兰与目标载荷本体固连，配重调节杆上分布有若干螺母，螺母沿着配重调节杆上的螺纹进行上下滑动，通过调节配重调节杆上螺母的分布，对整个目标载荷组件的质心进行调节，以保证目标载荷组件的质心与目标载荷的形心重合。

进一步的，中央直杆通过上部的锁钩与磁性恒力弹簧组件相连，做上下滑动运动；球轴承组件通过夹紧块固连于中央直杆上，试验对象通过法兰与球轴承组件固连，整套目标载荷组件为一个整体，通过磁性恒力弹簧组件带动中间直杆，间接带动整个目标载荷组件做上下运动。

进一步的，球轴承组件包括：连接法兰、球轴承、上紧固螺母、直线轴承、轴承座、连接杆、下挡圈、下紧固螺母；

连接法兰一端与目标载荷本体相连，另一端与连接杆相连，直线轴承外套有球轴承，球轴承和直线轴承组合而成的组合体共同固定在轴承座上，连接杆将轴承座与连接法兰相连，下挡圈位于球轴承与下紧固螺母之间，用于隔绝球轴承与下紧固螺母，减少两者之间的摩擦，上紧固螺母与下紧固螺母用于固定球轴承，防止上下滑动。

进一步的，所述磁性恒力弹簧组件包括：定滑轮、滑轮支架、凯夫拉绳、固定法兰和左、右两个磁性恒力弹簧；

左、右两个磁性恒力弹簧均包含：固定法兰、定子、环形锁钩、动子；环形锁钩设置在动子上；固定法兰固定连接在铝型材上；

其中凯夫拉绳一端系在磁性恒力弹簧的环形锁钩上，另一端系在目标载荷组件中中间直杆上，通过定滑轮实现重力等效；定滑轮通过滑轮支架固定在平台框架组件的铝型材上；装配过程中，同一个磁性恒力弹簧对应的定滑轮在同一高度、同一水平线上，保证凯夫拉绳施加的拉力均匀、对称；左、右两个磁性恒力弹簧引出的两股凯夫拉绳，在连接中间直杆上方位于同一轴线，保证施加在目标载荷中间直杆上的拉力同方向、同大小。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明在原有的气浮法基础上，采用磁性恒力弹簧与球轴承相结合的方法，克服了原有气浮法无法实现竖直方向与三个转动方向上微重力模拟的缺陷，真正意义上实现对空间载荷六自由度的微重力模拟。

(2)本发明一方面基于磁性恒力弹簧巧妙的设计了对称式的重力等效装置，另一方面采用高低相错的方式保证凯夫拉绳位于同一轴线，最大限度地减少直线滑轨不平行、轴承同心度不同、绳拉力偏移带来的相互较劲问题，保证了整套装置的顺滑。

(3)本发明采用牙肩、紧固螺母、机械连接相配合的方式，保证了直线轴承在垂直方向上具备一定的余量，有效解决了同组轴承同心度不同带来的阻力大的问题，有效降低了对装配精度的要求。

(4)本发明设计了目标载荷组件中的配重调节杆，通过调节其上螺母的高度可以实现对目标载荷姿态的精调，保证目标载荷组件的质心与目标载荷的形心重合。

附图说明

图1为本发明装置组件划分图；

图2为本发明平台框架的结构图；

图3为本发明直线轴承的结构图；

图4为本发明磁性恒力弹簧组件结构图；

图5为本发明磁性恒力弹簧结构图；

图6为本发明目标载荷的结构图；

图7为本发明球轴承的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的一种基于磁性恒力弹簧的微重力模拟装置，可以划分为平台框架、直线轴承组件、磁性恒力弹簧组件与目标载荷组件四个部分。平台框架组件提供基本平台，用于安装其他组件；直线轴承组件固连在平台框架组件上，承托目标载荷组件，使得目标载荷组件可沿直线轴承组件轴向滑动，目标载荷组件用于模拟载荷的形状特点；磁性恒力弹簧组件为目标载荷组件提供向上的稳定不变的拉力，使得磁性恒力弹簧的输出力抵消目标载荷组件的重力，实现微重力等效。

如图2所示，平台框架部分包含：铝型材1、角码2、配重杆3、配重块4、气足5、底板6；铝型材1搭建成长方体骨架结构，在定滑轮安装处设置加强筋，在互相垂直的铝型材1连接处使用角码2增加整套装置的稳定度；底板6位于长方体骨架结构得底面，底板6上固定有配重杆3，配重块4套在配重杆3上，并通过螺母拧紧固定，配重块4用于将整个装置调整到与模拟目标物的惯量特性相同；气足5固定在底板6下方，提供水平两个方向与竖直转动方向的自由度。

如图3所示，直线轴承组件包含：轴承本体11、轴承直套筒12、轴承球套筒13、圆筒14、安装板15、紧固螺母16、挡圈17、轴承座18、轴承托19。

直线轴承本体11外部套有轴承直套筒12，二者组合体套在轴承球套筒13之中，直线轴承本体11、轴承直套筒12、轴承球套筒13所形成的组合体安放在轴承座18中，轴承座18通过牙肩限位、螺钉连接的方式套装在轴承托19内实现限位，直线轴承本体11底部距离安装板15上表面之间的距离(图中的h)为直杆在直线轴承内上下滑动的量，该距离决定了整套装置在竖直方向上的移动量，挡圈17安装在轴承球套筒13的下方，同时挡圈17通过紧固螺母16固定，两者共同对轴承球套筒实现下限位，安装板15一面与轴承直套筒12相连，另一面与平台框架中的铝型材固定。轴承球套筒13中心开有通孔，直线轴承本体11穿插其中，轴承球套筒13两端加工有球头结构。

优选的，直线轴承组件在垂直方向上具备一定的余量。

优选的，所述距离h即为目标载荷组件沿竖直方向的移动量。

如图4、5所示，所述磁性恒力弹簧组件包含：定滑轮21、滑轮支架22、凯夫拉绳23、固定法兰24和左、右磁性恒力弹簧25。磁性恒力弹簧的结构如图5所示，左、右两个磁性恒力弹簧25均包含：固定法兰251、定子252、环形锁钩253、动子254；环形锁钩253设置在动子254上；固定法兰251固定连接在铝型材上；

其中凯夫拉绳23一端系在磁性恒力弹簧的环形锁钩253上，另一端系在目标载荷组件中中间直杆上，通过定滑轮21实现重力等效；具体的，左右两个磁性恒力弹簧25均通过凯夫拉绳以及两个定滑轮连接到目标载荷的中间直杆上，共同提供拉力。

定滑轮21通过滑轮支架22固定在平台框架组件的铝型材上；装配过程中，同一个磁性恒力弹簧25对应的定滑轮21在同一高度、同一水平线上，保证凯夫拉绳23施加的拉力均匀、对称；左、右两个磁性恒力弹簧25引出的两股凯夫拉绳23，在连接中间直杆上方位于同一轴线，保证施加在目标载荷中间直杆上的拉力同方向、同大小。具体实现时，可以将一侧磁性恒力弹簧25对应的两个定滑轮利用铝型材垫高，避免了位于中间的临近的两个定滑轮21发生干涉，同时保证了两股凯夫拉绳23位于同一轴线，保证施加在目标载荷直杆上的拉力同方向、同大小。

如图6所示，目标载荷组件包含：目标载荷本体31、中间直杆32、第一载荷连接件33、第二载荷连接件34、夹紧块35、球轴承组件36、配重调节杆37。其中32、35、36、37为模拟装置，31、33、34为试验对象，本发明微重力模拟装置模拟的试验对象为通用卫星。

目标载荷本体31通过连接法兰361与球轴承组件36固连，两边利用载荷连接件33加固，防止目标载荷31变形；中间直杆32套在球轴承组件36里，夹紧块35固定球轴承组件36相对于中间直杆32的位置，可以保证球轴承组件36与中间直杆32保持相同的上下运动，两者之间无相对滑动；第二载荷连接件34一端固定在球轴承组件36上，另一端固定在第一载荷连接件33上，第二载荷连接件34用于加固载荷，31、33、34均为试验对象，实际使用过程中可以根据试验对象的结构特征进行二次设计；球轴承组件36位于目标载荷组件的中央。配重调节杆37两端通过法兰与目标载荷本体31固连，配重调节杆37上分布有4个M20的螺母，螺母可沿着配重调节杆上的螺纹进行上下滑动，通过调节四个配重调节杆上的螺母的分布，可以对整个目标载荷的质心进行精调，以保证目标载荷组件的质心正好位于机构的中央。整套组件中的中央直杆通过上部的锁钩与卡布拉绳23相连，可以做上下滑动。球轴承组件36通过夹紧块35固连于中央直杆上，试验对象31、33、34通过法兰与球轴承组件固连，配重调节杆37固连于目标载荷31上，因此整套机构为一个整体，通过卡布拉绳23带动中间直杆32，间接带动整个组件做上下运动。

如图7所示，球轴承组件36又可以划分为：连接法兰361、球轴承362、上紧固螺母363、直线轴承364、轴承座365、连接杆366、下挡圈367、下紧固螺母368。

连接法兰361一端与目标载荷本体相连，另一端与连接杆366相连，直线轴承364外套有球轴承362，362和364组合而成的组合体共同固定在轴承座365上，连接杆366将轴承座365与连接法兰361相连，下挡圈367位于球轴承362与下紧固螺母368之间，用于隔绝362与368减少两者之间的摩擦，上紧固螺母363与下紧固螺母368用于固定球轴承，防止上下滑动。

实施例：

如图1所示，本发明实施例给出一种基于磁性恒力弹簧的微重力模拟装置，可以划分为平台框架、直线轴承组件、磁性恒力弹簧组件与目标载荷组件四个部分。

其中直线轴承组件通过机械连接的方式固定在平台框架上，两个直线轴承组件呈上下对称分布，装配过程中要保证同一组中的上下两个直线轴承组件的同轴度，避免直杆在其中运动时发生姿态偏转进而引起运动受阻，位于中央的上下两个直线轴承用来承载目标载荷；

磁性恒力弹簧组件分为左、右两组，每组磁性恒力弹簧组件利用2个定滑轮实现力方向的改变，用于抵消目标载荷的重力，实现在竖直方向上的自由度；搭载目标载荷组件的直杆通过卡布拉绳与磁性恒力弹簧组件的环形锁钩相连，直杆位于直线轴承内，可以上下滑动，本设计的目标载荷模拟的是卫星的外轮廓，可以根据实际实验的需要对目标载荷的外形进行调整。

所述平台框架部分包含：铝型材1、角码2、配重杆3、配重块4、气足5、底板6；铝型材采用的是6060型号的铝型材搭建装置的基本骨架，选型可以根据实际装置的质量大小进行调整，在受力较大的定滑轮处要加加强筋，保证整个框架受力以后不发生变形。在互相垂直的铝型材处使用角码，增加整套装置的稳定度。底板上固定配重杆，配重块套在配重杆里，并在上方用螺母拧紧固定，配重可以用来将整个装置调整到与模拟目标物的惯量特性相同。气足固定在底板上，提供水平两个方向与竖直转动方向的自由。

直线轴承组件有2个，每个又包含：直线轴承11、轴承直套筒12、轴承球套筒13、圆筒14、安装板15、紧固螺母16、挡圈17、轴承座18。直线轴承型号选择为LMU20LUU，直线轴承外部套有轴承直套筒，二者组合体套在球套筒之中，组合体安放在轴承座中，通过轴承座的上下牙肩对组合体进行定位，防止上下窜动，轴承座安装在圆筒上，直杆在圆筒内上下移动，筒的高度决定了整套装置的上下移动量，安装板一面与直套筒相连，另一面与平台框架中的铝型材固定；挡圈用于将轴承与其相邻的组件隔开，避免摩擦引起的运动阻塞，同时防止杂物进入轴承内部。紧固螺母用于固定下挡圈。在实际使用过程直杆全部涂抹润滑脂，保证其在直线轴承内运动的平滑性。

所述磁性恒力弹簧组件包含：定滑轮、滑轮支架、凯夫拉绳、固定法兰、磁性恒力弹簧。磁性恒力弹簧包含组件：定子、环形锁钩、动子。

其中凯夫拉绳一端系在磁性恒力弹簧的动子上，另一端系在目标载荷的中央直杆上，磁性恒力弹簧输出的拉力等于目标载荷重量的一半，两个磁性恒力弹簧实现目标载荷的微重力等效。凯夫拉绳具备柔软性好、承载拉力大、质量轻的特点。定滑轮通过滑轮支架固定在平台框架的铝型材上，装配过程中要保证定滑轮在同一高度、同一水平线上，保证凯夫拉绳施加的拉力均匀、对称。此外通过在铝型材上面垫高的方式，避免了中间两个定滑轮发生干涉，同时避免了两股凯夫拉绳位于同一轴线，保证施加在目标载荷直杆上的拉力同方向、同大小、对称分布。

所述目标载荷组件包含：目标载荷、中间直杆、第一载荷连接件、第二载荷连接件、上下夹紧块、球轴承、配重调节杆。本发明的目标载荷模拟的是卫星，可以根据试验需要对其外形进行调整。目标载荷通过连接法兰与位于其中心的球轴承固连，两边利用第一载荷连接件加固，防止变形，直杆套在球轴承里，并通过上下夹紧块固定位置，可以保证球轴承与目标载荷一起与直杆在直线轴承内上下运动。第二载荷连接件一端固定在球轴承上，另一端与第一载荷连接件相连。配重调节杆为4个M12的螺柱，其上可以预埋螺母，通过旋拧螺母可以实现对目标载荷质心的精调，且调整过程为连续、平滑的，最终可以使得目标载荷组件的质心与目标载荷的形心重合。

球轴承位于整个组件的中央，保证了目标载荷可以沿三个方向自由转动一定角度，其中球轴承又可以划分为：连接法兰、球轴承、上挡圈、直线轴承、轴承座、连接杆、下挡圈、紧固螺母。连接法兰用于将球轴承组件与目标载荷相连，直线轴承外套有球轴承，组合体共同固定在轴承座上，连接杆将轴承座与连接法兰相连，上下挡圈用于隔离轴承与夹紧块，紧固螺母位于下挡圈之下用于固定轴承。配重调节杆通过法兰固定于目标载荷上，上下左右对称分布，共计四个。

本发明在原有的气浮法基础上，采用磁性恒力弹簧与球轴承相结合的方法，克服了原有气浮法无法实现竖直方向与三个转动方向上微重力模拟的缺陷，真正意义上实现对空间载荷六自由度的微重力模拟。

本发明所阐述的内容为该领域具体应用的一个实例，但任何熟知该领域的专业人员，应明确本发明包含但不限于本实例，在此基础上所做的任何改动都属于本发明知识和技术产权保护范围之内。