[发明专利]三自由度质心悬挂仿真试验平台

说明书

技术领域

本发明属于小型空间飞行器的试验平台，可直接应用于各种小型空间飞行器的控制系统全物理仿真试验。

背景技术

在各种空间飞行器的控制系统全物理仿真试验中，为了验证姿控、制导和导航的算法设计，通常将控制系统参试设备置于某些试验平台之上，通过控制该试验平台的运动可形成对空间飞行器的在轨状态的运动学和动力学模拟。试验平台的传统实现方法有：

单轴和三轴气浮转台：为模拟空间飞行器在外层空间所受干扰力矩很小的力学环境，通常采用球面气浮轴承支持的气浮转台作为飞行器运动学和动力学仿真试验平台；但是气浮转台所模拟的空间飞行器的质量至少在100kg以上，转动惯量至少在10kg·m²以上，不适合动能拦截器等小型空间飞行器的全物理仿真试验。

三轴伺服转台：该设备虽然是众多仿真试验设备中不可缺少的，但它只能对空间飞行器进行运动学模拟，而不能进行动力学模拟。也就是说在使用三轴伺服转台进行仿真试验时，空间飞行器上的喷管只是作为串联在整个仿真试验系统中的一个环节，其推力作用到飞行器产生的姿态变化是通过仿真程序来施加到三轴伺服转台上实现的，而不是直接作用到飞行器上，这有可能会导致姿控设计的偏差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种三自由度质心悬挂仿真试验平台，该平台采用圆柱形舱段作为试验平台，其质心通过三方向的轴承连接在刚性杆上，并配以冷气喷管组合作为直接力控制舱体围绕悬挂点进行俯仰、偏航和滚动三自由度的运动，最终达到真实模拟小型空间飞行器在空间运动时姿态变化的目的，解决了气浮转台和三轴伺服转台的问题。

本发明的技术解决方案是：三自由度质心悬挂仿真试验平台，包括质心悬挂系统、冷喷系统和悬挂舱系统；所述的悬挂舱系统为中空圆柱状舱体，舱体上开有安装及观测孔，舱体中心内部设置有悬挂点，悬挂点正上方开一圆孔，作为限制悬挂舱体转动幅度的限位圈，悬挂点中心周围轴向、径向和法向三个方向上安装螺杆，螺杆上安装可调式配重块；舱体后部安装参试设备，舱体头部安装导引头或其它参试设备，舱体外壁安装有固定式配重块；

所述的质心悬挂系统由刚性杆和三方向轴承组成，刚性杆上端固定在实验室的房顶横梁处，下端与三方向轴承固连，刚性杆穿过悬挂舱系统的限位圈，三方向轴承下端与悬挂舱系统中部的悬挂点固连；

所述的冷喷系统由喷管组合、硬气管以及两个蓄压气瓶组成，两个蓄压气瓶安装在悬挂舱系统外两侧，冷气喷管组合安装在悬挂舱系统外侧尾部，蓄压气瓶与喷管组合的气路接口通过硬气管连接。

所述的喷管组合由8个冷气喷管构成，所述的冷气喷管两两一组安装在悬挂舱系统外侧尾部，每组在尾部圆周均布。

所述的冷气喷管推力10～40N。

所述的固定式配重块的安装位置要求粗调节悬挂舱体各方向质量和转动惯量均匀分布，此处的悬挂舱体包含有满载状态下的悬挂舱系统和冷喷系统。

所述的可调式配重块的位置在轴向、径向和法向三个方向上精密调节，以保持悬挂舱体的各方向平衡，此处的悬挂舱体包含有满载状态下的悬挂舱系统和冷喷系统。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)由于本发明与真实空间飞行器的转动惯量、喷管布置和推力更为接近，因此解决了在不具备单轴及三轴气浮转台的环境下，使用本发明进行空间飞行器的动力学和运动学进行模拟的一种解决方案。

(2)悬挂舱系统对于参与试验控制系统参试设备具备很强的适应性，能够使外形尺寸及设备质心不规则的参试设备具备参与试验的可行性方法。

(3)由于本发明系统构成简练、便捷、具有较强适应性，针对各种参试设备都能够很快速的组成试验系统，因此能够缩短调试时间。

(4)本发明实现俯仰、偏航、滚动的三自由度运动，各方向均能摆动角度±15°。

(5)本发明的质心悬挂系统的上下调节范围为±200mm，可保证在全物理仿真试验状态下，适应参试导引头对目标模拟器的不同高度。

(6)本发明由8个推力为10～40N的冷气喷管构成姿控运动发动机，其中俯仰和偏航控制各采用其中的4个冷气喷管组合来控制，滚动采用其中的8个冷气喷管组合来控制。