[发明专利]一种静电悬浮式天基超静平台系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电悬浮式天基超静平台系统，属于空间减振隔振技术领域。

背景技术

随着高分辨率空间遥感、超远距离激光通信和深空望远镜等空间探测活动的不断深化，卫星上所携带的有效载荷越来越精密，卫星的微振动效应成为对载荷性能不可再忽略的制约因素。目前，星上微振动的主动抑制方式主要有卫星无拖曳控制和采用压电式或超磁致伸缩式超静平台。但是，前者主要针对星外低频非保守力的扰动，克服不了高频微振动，后者结构复杂，本质上是种针对地面应用的隔振平台，不能很好满足星上精密载荷对平台稳定性日益苛刻的需求。

公开号为CN102710179A，名称为主动控制型磁悬浮隔振平台的专利公开了一种隔振平台。其发明中通过永磁体的磁场力实现平台的悬浮隔振，并解决了现有隔振平台存在固定频率的缺点。但是，该发明中作为悬浮力产生源的永磁体在受到机械冲击或是温度冲击时会产生退磁甚至消磁，使得悬浮力不稳定或消失。而且其特点为适应于重载荷使用，在卫星上失重环境下的减振并不需要高刚度承重，刚度越高，则带宽越高，从卫星本体上传递到平台上的振动能量也越大，尤其是高频振动会显著增加。采用较高刚度的连接材料实际上是一种适用于地面的减振平台设计方式刚度高，对于星上失重环境下并不需要高刚度支承平台，刚度太高反而不利于实现高精度减振。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超静平台系统，具有结构简单、驱动力精确可控、低刚度甚至零刚度耦合、双级无拖曳架构、主被动减振一体化的特点，有效抑制在轨卫星微振动对载荷平台的影响。

本发明的技术解决方案是：一种静电悬浮式天基超静平台系统包括：宁静参考系统、载荷平台、星上电极腔、电容检测电路、数字控制系统、驱动电路以及微推进器；其中：

宁静参考系统又包括参考质量块、真空腔、真空腔底座、位移传感器；宁静参考系统通过真空腔体底座与载荷平台固结为一个整体；参考质量块无机械连接地悬浮在真空腔内，作为宁静参考源运行于纯地球引力轨道上；位移传感器检测参考质量块在真空腔内的相对位移，并将检测得到的信号输出给数字控制系统；

星上电极腔固定在卫星本体上，其内壁铺覆有十二块电极，与载荷平台上的电极形成电容对；

载荷平台悬浮于星上电极腔内，用于安装宁静参考系统以及搭载超精密仪器；载荷平台外表面铺覆有十二块电极，可被星上电极腔上的电极通过静电力实现六自由度驱动，使其跟踪参考质量块运动，构成第一级无拖曳；

电容检测电路根据电容与电极间隙的物理关系，通过检测电容可获取载荷平台在星上电极腔内的相对位置，并将检测得到的信号输出给数字控制系统；

数字控制系统根据位移传感器和电容检测电路的输出，经控制算法处理后(PID控制算法)产生静电驱动力和微推进器的控制信号；

驱动电路将数字控制系统产生的静电力控制信号放大，并加载到星上电极腔的电极上，形成静电力，驱动载荷平台跟踪参考质量块，维持参考质量块在真空腔中的相对位置不变，实现载荷平台的第一级无拖曳控制；

微推进器可对卫星本体实现六自由度驱动，根据数字控制系统的微推进器控制信号产生微推力，驱动卫星本体及星上电极腔跟踪载荷平台，实现卫星本体的第二级无拖曳。

所述宁静参考系统中的参考质量块自由悬浮于真空腔，其位移检测采用无接触式位移传感器，确保参考质量块只受地球引力支配，运行于纯引力轨道上，从而可作为整个系统的宁静参考源。

所述参考质量块悬浮在真空腔内，与真空腔间隙约为10um～1mm。

所述参考质量块为导电材料制成，为立方体，尺寸为4cm×4cm×1cm或4cm×4cm×4cm。

所述载荷平台受外力扰动时，由星上电极腔发生高带宽、精确可控的静电力补偿扰动力，使载荷平台跟踪参考质量块，保持二者的相对位置，实现第一级无拖曳主动减振，抑制高低频段上的微振动，实现载荷平台的超静。

所述卫星本体受外力扰动时，由微推进器发生微推力补偿扰动力，使卫星本体跟踪载荷平台，保持二者的相对位置，实现第二级无拖曳，利用二者间的极低静电负刚度实现被动隔振，极大衰减卫星本体对载荷平台的振动耦合，实现载荷平台的超静。

所述载荷平台的表面电极通过电气连接成为一等势体，与星上电极腔形成差分电容。