一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)包括隨動支撐架、航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊與控制模塊，所述隨動支撐架可保證航天器在低摩擦力不受重力影響的環(huán)境下調(diào)整其俯仰與偏航角；所述航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊可跟隨航天器的滾轉(zhuǎn)運動，且在航天器質(zhì)心變化時，在保持航天器現(xiàn)有姿態(tài)不變的情況下跟隨其質(zhì)心，保證懸掛力與航天器的質(zhì)心始終在同一直線上；所述數(shù)據(jù)采集控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)信號傳遞與協(xié)調(diào)控制，使系統(tǒng)各模塊按系統(tǒng)設(shè)計工作，完成對航天器的姿態(tài)隨動與航天器質(zhì)心變化時的質(zhì)心自動跟隨，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、尺寸小、精度高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于航天器空間任務(wù)地面驗證技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]太空環(huán)境與地面實驗室環(huán)境存在重大的區(qū)別，為了保證航天器空間任務(wù)的順利完成，在地面對航天器的各種性能進(jìn)行驗證時，必須部分或者全部模擬出太空環(huán)境。
[0003]航天器在太空運動時處于從自由到自由的無約束微重力運動環(huán)境中，地面實驗室為有重力環(huán)境，為了在地面驗證航天器空間任務(wù)完成情況需保證驗證時航天器的重力對其運動基本沒有影響且航天器處于浮動狀態(tài)或者懸掛支撐方式對其運動影響可忽略?，F(xiàn)有的實現(xiàn)這個目標(biāo)的手段有液浮法，失重法、氣浮法、磁懸浮法與懸掛法。失重法常見的為拋物飛行和自由落體，此方法的缺點是時間短、占用的空間大、能夠提供的空間有限并且成本高;液浮法阻尼大、維護(hù)成本高且只適合低速運動的情況;磁懸浮的方法懸浮距離受限即其航天器部分運動受限，且會產(chǎn)生電磁干擾;而氣浮法與懸掛法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，易于建立實驗室中的無約束微重力環(huán)境，但氣浮法一般只能提供五自由度的運動環(huán)境。此外考慮到諸如空間交會對接等空間任務(wù)，需要航天器伸出對接機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得航天器整體質(zhì)心發(fā)生偏移的情況，現(xiàn)有的技術(shù)基本通過多點懸掛來實現(xiàn)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了控制難度。
[0004]為了克服現(xiàn)有航天器地面試驗方法不適用于航天器質(zhì)心變化的情況，本發(fā)明提出一種適用于航天器結(jié)構(gòu)質(zhì)心變化的、結(jié)構(gòu)緊湊的姿態(tài)隨動系統(tǒng)，提高了地面驗證導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，實現(xiàn)了懸掛方式基本不影響航天器的姿態(tài)調(diào)整且懸掛裝置提供的力延長線始終與航天器質(zhì)心重合，在航天器姿態(tài)調(diào)整時不引人附加偏心轉(zhuǎn)矩，確保航天器姿態(tài)調(diào)整時不受重力的影響，當(dāng)航天器質(zhì)心變化時對質(zhì)心進(jìn)行跟蹤，保證懸掛力延長線始終與航天器質(zhì)心重合，完成對的航天器姿態(tài)隨動與質(zhì)心跟蹤。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]—種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)包括航天器、隨動支撐架、航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊與控制模塊。
[0008]所述隨動支撐架可保證航天器在低摩擦力不受重力影響的環(huán)境下調(diào)整其俯仰與偏航角;所述航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊可跟隨航天器的滾轉(zhuǎn)運動，且在航天器質(zhì)心變化時，在保持航天器現(xiàn)有姿態(tài)不變的情況下跟隨其質(zhì)心，保證懸掛力與航天器的質(zhì)心始終在同一直線上;所述控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)信號傳遞與協(xié)調(diào)控制，使系統(tǒng)各模塊按系統(tǒng)設(shè)計工作，完成對航天器質(zhì)心變化的跟隨與近似無約束懸掛。
[0009]進(jìn)一步，所述隨動支撐架包括俯仰軸承、整體支撐框、推力軸承、推力軸承固定板與外部連接件，俯仰軸承安裝在整體支撐框內(nèi)，整體支撐框為一體結(jié)構(gòu)，減少組裝結(jié)構(gòu)裝配引入的安裝誤差，推力軸承通過推力軸承固定板固定其座圈連接到整體支撐框上，推力軸承的軸圈與外部連接件配合，推力軸承的安裝方式為座圈在上，軸圈在下，外部連接件和整體支撐框留有一定的間隙。
[0010]進(jìn)一步航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊包括滾動軸承、軸承縱向連接板、軸承連接板、橫向連接板、摩擦輪、凸輪電機(jī)、凸輪、軸承連接板、摩擦輪電機(jī)連接板、摩擦輪電機(jī)、拉簧、豎向連接板、壓簧、主固定板、轉(zhuǎn)軸與制動器，其中滾動軸承、軸承連接板、軸承縱向連接板與拉簧組成滾轉(zhuǎn)隨動單元;摩擦輪、摩擦輪電機(jī)、摩擦輪電機(jī)連接板與壓簧組成質(zhì)心跟隨單元；凸輪與凸輪電機(jī)組成切換單元;橫向連接板、豎向連接板、主固定板、轉(zhuǎn)軸與制動器組成連接單元。滾動軸承安裝在軸承連接板上，兩組軸承連接板由軸承縱向連接板連接成為一個整體，可跟隨航天器的滾轉(zhuǎn)運動，兩個對稱分布的縱向連接板上連接有拉簧，拉簧另一端固定在豎向連接板上;摩擦輪與摩擦輪電機(jī)電機(jī)軸連接，在摩擦輪電機(jī)的驅(qū)動下可繞自身軸線轉(zhuǎn)動，摩擦輪電機(jī)安裝在摩擦輪電機(jī)安裝板上，摩擦輪電機(jī)安裝板上端連接有壓簧，壓簧另一端連接在主固定板上；凸輪與凸輪電機(jī)相連，在凸輪電機(jī)的帶動下可以轉(zhuǎn)動，其與軸承連接板與摩擦輪電機(jī)連接板相切，通過其轉(zhuǎn)動可控制滾轉(zhuǎn)隨動單元與質(zhì)心跟隨單元與航天器的接觸情況，從而控制本模塊跟隨航天器的滾轉(zhuǎn)運動或進(jìn)行質(zhì)心跟隨，凸輪電機(jī)安裝在橫向連接板上;橫向連接板的兩端與豎向連接板相連，豎向連接板固定在主固定板上，主固定板中間固定有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與隨動支撐架的俯仰軸承連接，航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊可在俯仰軸承的支撐下跟隨航天器的俯仰調(diào)姿運動，轉(zhuǎn)軸另一端的最外端固定有制動器，用于在保持航天器當(dāng)前姿態(tài)上進(jìn)行質(zhì)心跟隨。
[0011]進(jìn)一步，所述控制模塊包括傾角傳感器、驅(qū)動器、采集卡與控制卡。傾角傳感器安裝在航天器上，其測量信息通過采集卡傳遞給控制卡，用來判斷質(zhì)心跟隨單元是否跟隨上航天器質(zhì)心?？刂颇K通過切換單元控制滾轉(zhuǎn)隨動單元與質(zhì)心跟隨單元的工作，保證航天器質(zhì)心變化前后其姿態(tài)調(diào)整均不受重力影響。
[0012]根據(jù)上述的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，本發(fā)明提出的一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)可實現(xiàn)航天器懸掛姿態(tài)調(diào)整時基本不受重力及連接方式的影響以及航天器質(zhì)心位置變化時對航天器的質(zhì)心跟隨，其工作原理為由航天器的運動狀態(tài)信息得知其運動情況，當(dāng)航天器的質(zhì)心未發(fā)生變化航天器只進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整運動時，滾轉(zhuǎn)隨動單元與隨動支撐架聯(lián)合可跟隨航天器滾轉(zhuǎn)、俯仰與偏航的調(diào)姿運動；當(dāng)航天器的質(zhì)心變化時，制動器將轉(zhuǎn)軸鎖緊，使航天器保持當(dāng)前姿態(tài)，切換單元作用，凸輪轉(zhuǎn)動，在拉簧的作用下，隨動單元與航天器脫離連接，在壓簧的作用下質(zhì)心跟隨單元與航天器緊密接觸在摩擦輪電機(jī)的驅(qū)動下摩擦輪轉(zhuǎn)動帶動航天器運動，從而使懸掛力的始終與航天器質(zhì)心在同一條直線上，完成對其質(zhì)心的跟隨，判斷懸掛力是否與航天器重合的條件是，若懸掛力與航天器質(zhì)心不在同一條直線上，制動器停止作用時，航天器在自身作用下會導(dǎo)致俯仰角發(fā)生變化，若重合則能保持當(dāng)前姿態(tài)，安裝在航天器上的傾角傳感器可測其俯仰角是否變化，從而判斷是否完成了對航天器質(zhì)心的跟隨。
[0013]由上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理得出工作步驟:
[0014](I)將外部連接件與外界固定；
[0015](2)將航天器安裝在本發(fā)明所述系統(tǒng)上，調(diào)整航天器的位置，使其在初始位置時懸掛力與其質(zhì)心在同一直線上；調(diào)整切換單元中凸輪的位置，確保滾轉(zhuǎn)隨動單元的滾動軸承與航天器緊密貼合，確保航天器牢固夾持；
[0016](3)檢測系統(tǒng)跟隨航天器姿態(tài)調(diào)整運動的情況；
[0017](4)完成以上步驟后，開啟電源，開始航天器的相關(guān)驗證工作，在實驗驗證過程中，當(dāng)控制模塊接收到航天器質(zhì)心變化的信息時，制動器鎖死轉(zhuǎn)軸，控制切換模塊作用，使質(zhì)心跟隨單元與航天器貼合隨時調(diào)整航天器的懸掛位置，滿足懸掛力始終與航天器的質(zhì)心在同一直線上；
[0018](5)完成相關(guān)驗證或者工作后，關(guān)閉電源，卸下航天器。
[0019]本發(fā)明對比已有技術(shù)方法具有以下特點:
[0020]1、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、尺寸小，成本更低，維護(hù)費用??；
[0021]2、實現(xiàn)了對航天器質(zhì)心的跟隨，精度高，適用范圍廣；
[0022]3、懸掛時無需改變航天器的結(jié)構(gòu)及添加附屬裝置。
【附圖說明】
[0023]圖1一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)。
[0024]圖中標(biāo)號:
[0025]I:航天器;2:隨動支撐架;3:航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊。
[0026]圖2隨動支撐架:
[0027]圖中標(biāo)號:
[0028]201:俯仰軸承；202:整體支撐框;203:推力軸承固定板;204:推力軸承；205:外部連接件。
[0029]圖3航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊
[0030]圖中標(biāo)號:
[0031 ] 301:滾動軸承；302:軸承縱向連接板;303:橫向連接板;304:摩擦輪;305:凸輪電機(jī);306:凸輪;307:軸承連接板;308:摩擦輪電機(jī)連接板;309:摩擦輪電機(jī);310:拉簧;311:豎向連接板;312:壓簧;313:主固定板;314:轉(zhuǎn)軸;315:制動器;201:俯仰軸承；202:整體支撐框。
[0032]圖4摩擦輪
[0033]圖5—種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)工作流程圖
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:本發(fā)明所述系統(tǒng)包括航天器1、隨動支撐架2和航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊3。隨動支撐架2可保證航天器在不受重力影響的環(huán)境下調(diào)整其俯仰與偏航角;所述航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊3包括滾轉(zhuǎn)隨動單元、質(zhì)心跟隨單元、切換單元與連接單元，可跟隨航天器I的滾轉(zhuǎn)運動，且在航天器I質(zhì)心變化時，鎖死轉(zhuǎn)軸，切換單元作用，滾轉(zhuǎn)隨動單元與質(zhì)心跟隨單元切換，根據(jù)傾角傳感器的信息，在保持航天器I現(xiàn)有姿態(tài)不變的情況下跟隨其質(zhì)心，保證懸掛力與航天器的質(zhì)心始終在同一直線上;所述控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)信號傳遞與協(xié)調(diào)控制，使系統(tǒng)各模塊按系統(tǒng)設(shè)計工作，完成對航天器質(zhì)心的自動跟隨和近似無約束懸掛。
[0035]具體來說，一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)包括航天器1、隨動支撐架2與航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊3。隨動支撐架2由俯仰軸承201、整體支撐框202、推力軸承固定板203、推力軸承204與外部連接件205，整體支撐框202為一體結(jié)構(gòu)，其上端通過推力軸承固定板203安裝有推力軸承204，推力軸承204的座圈在上與推力軸承固定板203相連，其軸圈與外部連接件205配合，如圖2所示，若將外部連接件205與系統(tǒng)外的結(jié)構(gòu)固定，則隨動支撐架2可繞外部連接件205軸線轉(zhuǎn)動，整體支撐框202下端安裝有俯仰軸承201。航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊3包括滾轉(zhuǎn)隨動單元、質(zhì)心跟隨單元、切換單元與連接單元，其中滾轉(zhuǎn)隨動單元由滾動軸承301、軸承連接板307、軸承縱向連接板302與拉簧310組成;質(zhì)心跟隨單元由摩擦輪304、摩擦輪電機(jī)309、摩擦輪電機(jī)連接板308與壓簧312組成;切換單元由凸輪306與凸輪電機(jī)305組成;連接單元由橫向連接板303、豎向連接板311、主固定板313、轉(zhuǎn)軸314與制動器315組成。滾動軸承301安裝在軸承連接板307上，兩組軸承連接板307在軸承縱向連接板302的固連下成為一個整體，軸承縱向連接板302上端連接有拉簧310，拉簧310的另一端連接到連接單元的豎向連接板311上，當(dāng)航天器I滾轉(zhuǎn)調(diào)姿時，滾轉(zhuǎn)隨動單元的滾動軸承301跟隨航天器I的滾轉(zhuǎn)運動；質(zhì)心跟隨單元的摩擦輪304在摩擦輪電機(jī)309的帶動下可繞自身軸線轉(zhuǎn)動，若此時摩擦輪304與航天器I緊密接觸，則可帶動航天器I運動，摩擦輪電機(jī)309安裝在摩擦輪電機(jī)連接板308上，摩擦輪電機(jī)連接板308上端安裝有壓簧312，壓簧312另一端與連接單元的主固定板313相連;切換單元的凸輪電機(jī)305安裝在連接單元的橫向連接板303上，凸輪306通過凸輪電機(jī)305的控制完成滾轉(zhuǎn)隨動單元與質(zhì)心跟隨單元的切換，具體的，如圖3所示，若需要滾轉(zhuǎn)跟隨單元隨動時，凸輪305距轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)點與滾轉(zhuǎn)跟隨單元的軸承連接板307相切，保證滾動軸承301與航天器I緊密貼合，若需滾轉(zhuǎn)隨動單元與質(zhì)心跟隨單元切換時即航天器I質(zhì)心位置變化時，凸輪電機(jī)305帶動凸輪306轉(zhuǎn)動，在拉簧310作用下，滾轉(zhuǎn)隨動單元與航天器I脫離接觸，在壓簧312的作用下，質(zhì)心跟隨單元與航天器I緊密接觸，質(zhì)心跟隨單元可帶動航天器I運動；連接單元的橫向連接板303兩端分別連接用豎向連接板311，豎向連接板311連接到主固定板313上，主固定板313上安裝有轉(zhuǎn)軸314，轉(zhuǎn)軸314與隨動支撐架2的俯仰軸承201配合，轉(zhuǎn)軸314另一端的末端安裝有制動器315，制動器315可將轉(zhuǎn)軸314鎖死用以保持航天器I當(dāng)前姿態(tài)，在俯仰軸承201的支撐下航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊3可隨航天器I俯仰運動，隨動支撐架2與航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊3可跟隨航天器I繞外部連接件205的軸線做偏航調(diào)姿運動，從而完成對航天器姿態(tài)調(diào)整運動的隨動與航天器質(zhì)心變化時的跟隨。
【主權(quán)項】
1.一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，其特征是:所述系統(tǒng)包括隨動支撐架、航天器質(zhì)心跟隨裝夾模塊與控制模塊； 所述隨動支撐架包括俯仰軸承、整體支撐框、推力軸承、推力軸承固定板與外部連接件，俯仰軸承安裝在整體支撐框內(nèi)，整體支撐框為一體結(jié)構(gòu)，推力軸承通過推力軸承固定板固定其座圈連接到整體支撐框上，推力軸承的軸圈與外部連接件配合，推力軸承的安裝方式為座圈在上，軸圈在下。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，其特征是:所述質(zhì)心跟隨裝夾模塊包括滾轉(zhuǎn)隨動單元、質(zhì)心跟隨單元與連接單元;其中滾轉(zhuǎn)隨動單元由滾動軸承、軸承連接板、軸承縱向連接板與拉簧組成；質(zhì)心跟隨單元由摩擦輪、摩擦輪電機(jī)、摩擦輪電機(jī)連接板與壓簧組成;切換單元由凸輪與凸輪電機(jī)組成;連接單元由橫向連接板、豎向連接板、主固定板、轉(zhuǎn)軸與制動器組成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，其特征是:所述滾動軸承安裝在軸承連接板上，兩組軸承連接板由軸承縱向連接板連接成為一個整體，兩個對稱分布的縱向連接板上連接有拉簧，拉簧另一端固定在豎向連接板上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，其特征是:所述摩擦輪與摩擦輪電機(jī)電機(jī)軸連接，摩擦輪電機(jī)安裝在摩擦輪電機(jī)安裝板上，摩擦輪電機(jī)安裝板上端連接有壓簧，壓簧另一端連接在主固定板上。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，其特征是:所述凸輪與凸輪電機(jī)相連，其與軸承連接板與摩擦輪電機(jī)連接板相切，凸輪電機(jī)安裝在橫向連接板上;橫向連接板的兩端與豎向連接板相連，豎向連接板固定在主固定板上，主固定板中間固定有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與隨動支撐架的俯仰軸承連接，轉(zhuǎn)軸另一端的最外端固定有制動器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，其特征是:所述控制模塊包括傾角傳感器、驅(qū)動器、采集卡與控制卡。傾角傳感器安裝在航天器上，其測量信息通過采集卡傳遞給控制卡。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于質(zhì)心動態(tài)變化的航天器姿態(tài)隨動系統(tǒng)，其特征是:系統(tǒng)工作步驟為: (1)將外部連接件與外界固定； (2)將航天器安裝在本發(fā)明所述系統(tǒng)上，調(diào)整航天器的位置，使其在初始位置時懸掛力與其質(zhì)心在同一直線上；調(diào)整切換單元中凸輪的位置，確保滾轉(zhuǎn)隨動單元的滾動軸承與航天器緊密貼合，確保航天器牢固夾持； (3)檢測系統(tǒng)跟隨航天器姿態(tài)調(diào)整運動的情況； (4)完成以上步驟后，開啟電源，開始航天器的相關(guān)驗證工作，在實驗驗證過程中，當(dāng)控制模塊接收到航天器質(zhì)心變化的信息時，制動器鎖死轉(zhuǎn)軸，控制切換模塊作用，使質(zhì)心跟隨單元與航天器貼合隨時調(diào)整航天器的懸掛位置，滿足懸掛力始終與航天器的質(zhì)心在同一直線上； (5)完成相關(guān)驗證或者工作后，關(guān)閉電源，卸下航天器。
【文檔編號】B64G1/24GK105947237SQ201610410963
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】賈英民, 賈嬌, 孫施浩
【申請人】北京航空航天大學(xué)