[发明专利]落塔或者落井设备中落舱的微重力水平改善装置

说明书

技术领域

本发明属于微重力环境实验领域，具体涉及一种落塔或者落井设备中落舱的微重力水平改善装置，该装置能够用来改善地面落塔或者落井实验设备中落舱的微重力水平。

背景技术

由于空间基础科学实验精度的进一步要求，例如高精度空间引力实验(空间引力波探测、空间等效原理检验等)以及空间微重力实验(涉及生命科学、流体、燃烧、材料科学等)；需要进一步提高卫星平台或者地面实验平台的微重力水平。地面上提供微重力环境主要采用自由落体的方法，主要设备有落塔或落井、抛物线飞机以及火箭等。

落塔或落井实验设备中落舱的微重力水平一般在10^-2～10^-6g₀(g₀为地球表面重力加速度)，实验时间一般小于10s。其中空气阻力是影响落舱微重力水平的主要因素，落舱在自由落体过程中空气阻力引入的加速度表达式为：

a=12CxSρv2m---(1)]]>

其中C_x表示阻力系数，取决于落舱的结构形状设计，S为下落方向的特征截面积，ρ为落舱在介质中下落时介质的密度，v为落舱在介质中的相对运动速度，m为落舱的质量。故为了减小空气阻力引入的残余加速度，比较有效的方法是减小介质即大气的密度。目前主要有两种方式，一是采用单个落舱设计，对单舱的自由落体环境进行低真空处理，比如德国不来梅落塔设备的真空钢管可以达到1Pa的真空度，此时落舱(单舱)下落的微重力水平可以达到10^-5～10^-6g₀；二是采用两个落舱设计，即只需要保证两个落舱之间是低真空即可，比如中国科学院力学研究所国家微重力实验室的落塔设备，其微重力水平估计可以达到10^-5g₀。但上述方法对落塔设备结构设计及真空抽取和维持有较高的要求，其最好的微重力水平在10^-6g₀量级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种落塔或者落井设备中落舱的微重力水平改善装置，在无需真空抽取和维持下，有效改善地面微重力实验设备(落塔或落井)设备中落舱的微重力水平，提供更好的实验环境。

落塔或者落井设备中落舱的微重力水平改善装置，包括

落舱1，用于在地面上做自由落体运动；

加速度计2，用于测量所述落舱1的残余扰动加速度；

控制器3，用于对所述加速度计2测量的残余扰动加速度进行处理得到闭环反馈控制信号；

推进器4，用于在所述闭环反馈控制信号控制下产生推力作用在所述落舱1，使得所述落舱1克服外界环境的残余扰动。

进一步地，所述加速度计2为一个或多个，其中一个安放在所述落舱1的质心，其它的分布在所述落舱1的质心以外的位置。

本发明的技术效果体现在：

本发明落塔或落井设备中落舱的微重力水平改善装置，在无需真空抽取和维持下，结合落舱即自由落体实验装置，把加速度计、控制器和力执行机或者推进器综合起来，利用闭环控制系统对落舱进行残余扰动加速度的补偿，特别是克服空气阻力的影响，其可以改善落舱内部的微重力环境，其微重力水平有望提高到10^-6～10^-8g₀，(具体依赖于加速度计的分辨率、推进器的推力大小以及落舱的系统参数等)，g₀为地球表面重力加速度。

附图说明

图1为落塔或落井设备中落舱的微重力水平改善装置结构示意图。

具体实施方式

当落舱1在地面上进行自由落体实验时，利用加速度计2(需把加速度计放置在落舱的质心以降低落舱转动或振动的影响，同时可以放置多个加速度计测量落舱姿态)测量落舱在自由落体过程中的残余扰动加速度(主要是空气阻尼)，并且把测量结果作为控制器3的输入信号，经过控制器3的处理后，得到反馈控制信号，该信号施加给力执行机或者推进器4(主要放置在竖直下落方向上，也可以在落舱其他地方放置多个力执行机或者推进器进行姿态补偿和控制)，力执行机或者推进器4产生推力作用在落舱1上，其综合效果使得落舱1克服环境的残余扰动(比如空气阻力，落舱振动等)。通过该装置可以改善落舱内部的微重力环境，提高其微重力水平，有望达到10^-6～10^-8g₀。