[发明专利]一种竖直方向恒力系统的设计方法

说明书

所属技术领域

本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及一种竖直方向恒力系统的实现方法。

背景技术

航天工程是一项高风险、高投入、高回报、高度复杂并且高精度的系统工程，它的发展程度决定能否抢占高科技制高点，能否最大程度的利用太空资源。毫无疑问，在我国积极开展航天技术研究迫在眉睫，然而太空环境极其恶劣，为了顺利完成航天任务，必须在地面进行充分的实验，因此国内外各航天机构都非常重视航天器在地面的实验验证。

太空环境的一个最重要的特征是微重力，然而，地面实验室为有重力环境，为了在地面再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统实验的置信度，需要在地面为航天器建立一个与空间真实状况相近的微重力环境。要实现这个目标，其关键是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力。现有的实现这个目标的手段有液浮法，失重法、气浮法、悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况，而气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中的微重力环境。气浮法一般只能进行五自由度的运动模拟，悬挂法则可以进行六自由度的模拟。专利申请号为CN201220400797的“半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置”公布了一种通过电机滚珠丝杠和气缸悬浮一体化的“并联”方案来补偿航天器所受重力并提供其竖直方向的运动自由度，解决了气浮法只能进行五自由度运动模拟的问题，但其结构相对复杂，空气压缩处理装备占地面积大，大理石造价昂贵；专利申请号为CN201310466806的“一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法”公布了一种通过吊丝张力悬挂补偿航天器的重力提供竖直方向的运动自由度，但航天器瞬间受力超过航天器重力时，吊丝上的张力发生突变，对补偿系统的性能提出了极高的要求；因而需要寻求一种简单有效的方法为悬挂式补偿系统提供恒力。

现有的此类恒力系统中，采用钢丝绳提供恒力，当钢丝绳上的力变化时，主动补偿，但钢丝绳上的力瞬间发生变化，当航天器受到的外力大于航天器的重力时，钢丝绳松弛，补偿存在瞬时失效的风险；通过弹簧组合设计的组件满足航天器在一定的运动范围内，弹簧系提供的力恒定，但此方法对弹簧系数的精度要求高，运动范围小，且结构复杂；双电机加扭簧的设计方法，控制复杂，竖直方向容易受到扰动。

发明内容

本发明提出了一种竖直方向上有效的、高精度的、运行稳定的、不易受外界影响的并且可以完全补偿航天器所受重力的恒力系统设计方法，从而模拟出太空中的微重力环境，保证航天器地面试验验证时不受重力的影响。

本发明基于的原理是弹簧上的力在其受力改变的瞬间不发生突变，即当弹簧一端的受力发生改变时，弹簧上的力不会突然改变，因而在弹簧力等于航天器重力的平衡点，航天器受力瞬间，弹簧上的力等于航天器重力，航天器的运动状态完全取决于外力，当在外力作用下，弹簧发生微小位移时，选用弹簧刚度系数较小的弹簧，仍可以认为弹簧的力等于航天器的重力，但系统的高精度张力和位移传感器可以测得这一变化，传递给上位机PC，上位机PC控制力矩力矩电机动作补偿这一变化，保证系统输出的力恒等于航天器的重力。

本发明的技术方案：

本发明一种竖直方向恒力系统包括平衡点恒力弹簧模块、齿轮齿条补偿模块与数据采集控制模块。平衡点恒力模块实现航天器在受力平衡处于静止或者匀速运动时，弹簧力始终等于航天器重力，航天器的运动不受重力影响；齿轮齿条补偿模块，保证航天器受力变化时，及时补偿弹簧的压缩量，实现弹簧上的恒力，即弹簧力始终等于航天器的重力；数据采集控制模块，实时监测弹簧上力的变化以及航天器竖直方向位移的变化，将采集的信号实时处理，控制齿轮齿条补偿模块动作，最终实现航天器在各种状态下航天器的运动不受重力的影响，航天器处于微重力的运动环境中。