CN109592083A - 一种带自动配重的空间飞行器模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带自动配重的空间飞行器模拟器，底座上方配有球型空气轴承凹球，可直接以稳压气源连接，使空气轴承能正常工作，实现气浮、消除了摩擦力影响。摆舱包括配重端和控制端，中间配有球型空气轴承凸球。底座上还配有定位托盘，托盘以两侧的直线导轨作上下移动单元，利用步进电机和梯型丝杠配合实现自动升降；配重端包括X、Y、Z三个方向的配平装置、3个方向的反作用力飞轮、高压气瓶、双方向喷气组。控制端包括惯性导航系统、锂电池3组、高压减压模块、微型计算机、可编程控制器、高压气瓶、双方向喷气组。本发明装载负载方便、模拟姿态范围大。本发明装有3个方向的自动配平装置，可在运动中自动配平配重。
Description
技术领域
本发明属于飞行模拟器设备技术领域，尤其是涉及一种带自动配重的空 间飞行器模拟器。
背景技术
卫星、空间站、飞船、探空火箭等空间飞行器，在空间环境下的飞行控 制需要在地面环境下进行模拟验证试验，气浮阻力矩小于10E—3Nm，气浮空 间飞行器模拟器是最接近太空环境的。除摩擦阻力外，消除重力也是空间飞 行器模拟器需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种带自动配重的空间飞行器模拟器，以解 决上述背景技术中提到的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种带自动配重的空间飞行器模拟器，包括底座，底座中间上方设有球 形空气轴承凹球，底座上还设有定位托盘，定位托盘中间设有圆孔，定位托 盘通过圆孔套接于球形空气轴承凹球，定位托盘下方设有升降装置，用于控 制定位托盘上下移动；
球形空气轴承凹球上方还设有球形空气轴承凸球，球形空气轴承凸球中 间为空心结构，两端通过轴承分别连接配重端框架和控制端框架；
配重端框架包括前端板、中间板、以及后端板，其中，前端板连接空气 轴承凸球的前端板呈锥形状，前面板的后端设有飞轮及驱动器，配重端框架 两端分别设有X轴方向配平装置，中间板的前端与X轴方向垂直方向设有X 轴方向配平装置，中间板后端与X轴、Y轴方向均垂直方向设有Z轴方向配 平装置，后端板前端设有高压气瓶，后端板后端设有双方向喷气嘴；
控制端框架包括前端板、中间板、以及后端板，其中，前端板连接空气 轴承凸球的前端板呈锥形状，前面板的后端设有锂电池组以及惯性导航系 统，中间板的后端设有微型计算机以及可编程控制器，中间板的后端与后端 板的前端之间还设有高压减压模块，后端板前端设有高压气瓶，后端板后端 设有双方向喷气嘴，其中，高压气瓶通过高压减压模块连接双方向喷气嘴。
进一步的，所述定位托盘上还设有定位销，配重端框架前端板、控制端 框架前端板上设有与定位销相配合的定位孔。
进一步的，所述X轴、Y轴、Z轴方向配平装置包括电机、配重块、以 及丝杠，电机连接丝杠，配重块套接在丝杠上。
进一步的，所述升降装置包括直线导轨以及导轨滑块，导轨滑块连接丝 杠，丝杠连接步进电机，步进电机和丝杠配合控制定位托盘上下移动。
进一步的，所述微型计算机与惯性导航系统、可编程控制器、驱动器通 过232串口连接，微型计算机通过串口发送指令代码控制可编程控制器、驱 动器。
进一步的，所述可编程控制器控制电机，电机控制空间飞行器的重心， 通过电机实现自动配平。
进一步的，所述可编程控制器通过电磁阀控制双方向喷气嘴，通过双方 向喷气嘴控制气体流量，实现空间飞行器旋转角度。
进一步的，所述驱动器控制飞轮，实现角度微调。
相对于现有技术，本发明所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器具 有以下优势：
(1)本发明可用于模拟卫星在外层空间的零重力无阻尼运动姿态。通 过对气浮模拟器的姿态控制，可在地面上较真实地模拟和观察卫星在外层空 间动量交换、动量耦合及运动姿态，完成对控制系统的喷气姿态控制方法和 飞轮姿态控制方法的设计验证。
(2)本发明采用中间气浮球轴承，两边安装各控制组件和负载的形式。 装载负载方便、模拟姿态范围大。本发明装有3个方向的自动配平装置，可 在运动中自动配平配重。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在 附图中：
图1、2为本发明实施例所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器的 不同方向的立体示意图；
图3为本发明实施例所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器的主视 图示意图；
图4为本发明实施例所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器的局部 示意图；
图5为本发明实施例所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器的电气 原理图。
附图标记说明：
1-底座；2-定位托盘；3-步进电机；4-梯形丝杠；5-直线导轨；6-定位 销；7-球型空气轴承凹球；8-球型空气轴承凸球；9-配重端框架；10-控制 端框架；11-锂电池；12-惯性导航系统；13-微型计算机；14-可编程控制器； 15-X轴方向配平装置；16-Y轴方向配平装置；17-Z轴方向配平装置；18- 飞轮；19-高压气瓶；20-高压减压模块；21-双方向喷气嘴。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述 目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征 的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包 括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的 含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-4所示，本发明提供一种带自动配重的空间飞行器模拟器，整体 设备由两大部分组成：
1)底座支撑部分
底座1上方配有球型空气轴承凹球7，可直接以稳压气源连接，使空气 轴承能正常工作，实现气浮、消除了摩擦力影响。
底座1上还配有定位托盘2，定位托盘2以两侧的直线导轨5作为上下 移动单元，利用步进电机3和梯型丝杠4配合实现自动升降。配合定位销6 可让上方模拟器摆舱部分回到初始的水平位置。同时在安装负载和配重时， 起到保护作用。其中，步进电机3由可编程控制器14控制。可编程控制器 14选用PLC。
2)模拟器摆舱部分
摆舱包括配重端和控制端，中间配有球型空气轴承凸球8。
配重端包括配重端框架9、X轴方向配平装置15、Y轴方向配平装置16、 Z轴方向配平装置17三个方向的配平装置、3个方向的反作用力飞轮18、高 压气瓶19、双方向喷气嘴21；
控制端包括控制端框架10、惯性导航系统12、3组锂电池11、高压减 压模块20、微型计算机13、可编程控制器14、高压气瓶19、双方向喷气嘴 21；
其中，锂电池11用于为惯性导航系统12、微型计算机13、可编程控制 器14提供电源，高压气瓶19用于充气，通过高压减压模块20调节气压控 制双方向喷气嘴21。
飞轮转子有一定转动惯量，根据动量守恒原理，在摩擦和重力影响的情 况下，飞轮旋转会对模拟器整体产生反向扭矩。双方向喷气嘴21也会产生 反向扭矩。以惯性导航系统12作为反馈，微型计算机13控制飞轮18和双 方向喷气嘴21，可以控制模拟器的运动，达到调整3个方向姿态。
在控制过程中，变形引起的重力不平衡、扰动和振动也会产生重力不平 衡、开始时手动配平也可能不是全角度平衡，本模拟器根据惯性导航系统、 双方向喷气嘴喷嘴状态、飞轮状态，会自动进行配平。配平装置包括电机、 丝杠、配重块和支撑等。其中，电机由可编程控制器14控制。
模拟器在初始化时，定位托盘2首先升至上方，可利用配重组件手动配 平，使模拟器的质心与空气轴承凸球的质心重合。模拟器在运动过程中，定 位托盘下降。由于各个组件装配时的不规则性，所以在模拟器多轴向偏摆(利 用反作用力飞轮配合喷气组件)时，会造成模拟器的质心与空气轴承凸球的 质心发生位置变化，这时就需要惯性导航系统12采集当前模拟器的偏摆角 度，再由微型计算机13对各轴配重组件进行自动控制。首先可编程控制器 14利用配平装置调节各配平块的位移，将偏摆角度调节到设定的范围，然后 可编程控制器14通过电磁阀控制双方向喷气嘴21的气体流量，实现空间飞 行器旋转角度的调节，最后微型计算机13通过驱动器控制飞轮18，实现角 度微调，在多次自动调节中优化位置，达到最佳效果，最终达到对模拟器在 任何角度都可自由控制的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：包括底座，底座中间上方设有球形空气轴承凹球，底座上还设有定位托盘，定位托盘中间设有圆孔，定位托盘通过圆孔套接于球形空气轴承凹球，定位托盘下方设有升降装置，用于控制定位托盘上下移动；
球形空气轴承凹球上方还设有球形空气轴承凸球，球形空气轴承凸球中间为空心结构，两端通过轴承分别连接配重端框架和控制端框架；
配重端框架包括前端板、中间板、以及后端板，其中，前端板连接空气轴承凸球的前端板呈锥形状，前面板的后端设有飞轮及驱动器，配重端框架两端分别设有X轴方向配平装置，中间板的前端与X轴方向垂直方向设有X轴方向配平装置，中间板后端与X轴、Y轴方向均垂直方向设有Z轴方向配平装置，后端板前端设有高压气瓶，后端板后端设有双方向喷气嘴；
控制端框架包括前端板、中间板、以及后端板，其中，前端板连接空气轴承凸球的前端板呈锥形状，前面板的后端设有锂电池组以及惯性导航系统，中间板的后端设有微型计算机以及可编程控制器，中间板的后端与后端板的前端之间还设有高压减压模块，后端板前端设有高压气瓶，后端板后端设有双方向喷气嘴，其中，高压气瓶通过高压减压模块连接双方向喷气嘴。
2.根据权利要求1所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：所述定位托盘上还设有定位销，配重端框架前端板、控制端框架前端板上设有与定位销相配合的定位孔。
3.根据权利要求1所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：所述X轴、Y轴、Z轴方向配平装置包括电机、配重块、以及丝杠，电机连接丝杠，配重块套接在丝杠上。
4.根据权利要求1所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：所述升降装置包括直线导轨以及导轨滑块，导轨滑块连接丝杠，丝杠连接步进电机，步进电机和丝杠配合控制定位托盘上下移动。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：所述微型计算机与惯性导航系统、可编程控制器、驱动器通过232串口连接，微型计算机通过串口发送指令代码控制可编程控制器、驱动器。
6.根据权利要求5所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：所述可编程控制器控制电机，电机控制空间飞行器的重心，通过电机实现配平。
7.根据权利要求5所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：所述可编程控制器通过电磁阀控制双方向喷气嘴，通过双方向喷气嘴控制气体流量，实现空间飞行器旋转角度。
8.根据权利要求5所述的一种带自动配重的空间飞行器模拟器，其特征在于：所述驱动器控制飞轮，实现角度微调。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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