[发明专利]一种电磁上抛微重力装置、控制方法以及系统

说明书

本发明实施例涉及一种电磁上抛微重力装置、控制方法以及系统。其中，该装置包括：电磁发射器、速度传感器和控制器，其中，速度传感器用于：对电磁发射器的速度进行监测，得到运行速度，并将运行速度传输至控制器，控制器用于：将接收到的第一运行速度与预设的第一速度阈值进行比较，并当第一运行速度大于第一速度阈值时，控制电磁发射器携带载荷舱发射；当电磁发射器携带载荷舱处于自由落体运动时，则控制器还用于：将第二运行速度与预设的第二速度阈值进行比较，并当第二运行速度等于第二速度阈值时，则对电磁发射器产生制动力，以控制电磁发射器进入电磁制动降速模式。通过采用电磁力的方式发射上抛，不仅提高了效率，且实现了全程控制。

技术领域

本发明实施例涉及设计空间技术领域，尤其涉及一种电磁上抛微重力装置、控制方法以及系统。

背景技术

可以理解的是，地面微重力模拟有两种应用需求：第一，用于空间微重力科学。微重力科学包括空间生命、微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料、基础物理等多个学科，也涉及多个领域的空间的新技术试验。科学实验卫星、空间实验室、空间站等作为实验平台长期在轨运行，可以提供很高的微重力水平，但研制要求高，成本大，机会稀少。很多实验通过短时的微重力环境也可以获得有效的实验结果，不需要到太空验证；而太空中的微重力实验也常常需要大量地基微重力环境进行前期实验和比对。第二，用于地面人类微重力体验和科普活动。人类自古以来都进入太空的梦想，随着航天事业的不断发展与成熟，体验太空环境需求越来越大，更有甚者不惜财力物力体验微重力环境。太空体验的多重感受中，视觉、听觉等体验都很容易通过地面模拟，而长期失重的环境难以实现。航天员训练常用水槽等方式模拟出类似失重的体验也并非实现了真正的失重状态。在地面模拟较长时间的微重力环境，使微重力体验不再遥不可及，既可以用于航天员的训练，也可以面向大众开展失重体验。此外，在失重环境下进行一些简单的物理实验，可以成为重要的微重力科普课堂。

在现有技术中，地面产生微重力的方法一般有落塔/落管、失重飞机、落弹舱、探空火箭等几种。几种方式各有优缺点：探空火箭时间最长，但发射成本太高，不亚于微重力卫星；失重飞机能提供20秒以上微重力时间，可以携带较大体积的载荷，但微重力水平最多到10-3g，也比较昂贵；落塔如果采用双舱方式，可以达到10-5～10-6量级，但微重力时间太短。

目前，日本的JAMIC深井可以达到10s的微重力时间，但现在已经废弃；美国的Zero-g深井也是五十年前建设的；此外还有ZARM、力学所落塔，以及十几个小型落塔/落井。

中科院力学所微重力实验中心的落塔主要组成部分：实验舱组件、减速回收系统和释放系统。其中：

(1)实验舱组件：大部分由内外两舱组成，内舱微重力水平更好；

(2)减速系统：采用范能回收装置，由网、绳索、换能器等组成；

(3)释放系统：兰州空间物理研究所夏成明等人研究了落塔电磁悬吊、释放技术，可以用于落塔的平稳释放，提高微重力水平。

借鉴抛物线飞机实现微重力环境的运行模式，在普通落塔上叠加上抛的弹射的方式，便在单程落塔内实现双倍的微重力时间，即如需获得相同实验时间，可以使建筑的高度降低至1/4。德国Bremen大学的ZARM研究团队研制液压上抛装置使Bremen落塔的微重力时问从原来的4.74秒，延长到9.48秒。

落塔弹射上抛问题，由于加速运动的垂直高度和作用力两方面的限制，属于短距离、高行程利用效率的加速物体过程。对于短距离加速推进，常用的推进方式包括化学能、蒸汽能、液压等方式。化学能爆炸弹射和蒸汽能弹射方式能提供较大的作用力，但是行程效率的利用率低并且可控性较差；液压能可采用滑轮变速机构加速度低的液压缸，和直顶式高速液压缸的方案，但行程相对较短；采用直驱电机的方式进行牵引，在距离相对较长时对传送带的要求太高，并且提供的出力相对较小。

发明内容