[发明专利]一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及一种用于航天器运动再现的无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法。

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六自由度运动建立一个与空间真实状况相近的无约束微重力环境。要实现这个目标，就需要对航天器进行重力补偿，重力补偿是指对物体施加外力使之和物体所受的重力平衡，或者使物体处于自由落体状态下，目的均是消除重力对物体运动过程中动力学特性的影响。

在当前重力补偿方法的研究中，常用的方法有失重法、液浮法、气浮法和悬挂法。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；气浮法一般只能提供五个自由度的运动，在竖直方向的运动受限。悬挂法所占用的空间小、不受时间空间的约束，是重力补偿常用的方法，悬挂法一般可以分为主动重力补偿和被动重力补偿，多用于空间机械臂微重力试验研究。被动重力补偿的补偿精度较低，对试验效果有较大影响；主动重力补偿能够提高补偿精度，但目前主动重力补偿方法一般通过单点悬挂提供三自由度运动空间或多点悬挂提供六自由度运动空间，针对实现航天器运动再现这个目标，三自由度运动空间显然不够，多点悬挂所提供的六自由度空间会由于结构复杂、系统难控导致试验效果不佳，因此需要寻找一种结构简单、运行稳定、补偿彻底的重力补偿系统为航天器提供一个近似无约束六自由度运动的微重力环境，进而再现其在空间微重力环境下的真实运动，保证地面验证导航、制导与控制系统的有效性。

发明内容

本发明的目的是发明一种具有结构简单、运行稳定、补偿彻底的重力补偿系统来补偿地面试验环境中航天器的重力，提供航天器一个近似无约束六自由度运动的微重力环境，进而再现其在空间微重力环境下的真实运动，保证地面验证导航、制导与控制系统的有效性。

本发明基于悬挂拉力和航天器重力平衡、力的作用效果相互抵消的原理来对航天器的重力进行补偿的悬挂主动重力补偿系统，集无约束悬挂模块、水平随动模块、竖直恒张力悬挂模块以及相应的控制模块于一体，能够很好地实现这一预定目标。

本发明的技术方案：

一种无约束悬挂式主动重力补偿系统包括无约束连接模块、水平随动模块、竖直恒张力悬挂模块及控制模块。

所述无约束连接模块包括连接套、外装框、施力件和低摩擦轴承，外装框通过连接套和低摩擦推力球轴承与悬挂吊丝相连，外装框通过施力件和低摩擦深沟球轴承与被补偿航天器相连，使航天器在外装框内绕质心做近似无约束滚动和俯仰的姿态调整运动，航天器与外装框一起绕航天器质心做近似无约束偏航的姿态调整运动。

所述水平随动模块包括伺服电机、导轨、同步带、二维倾角传感器、移动天车和支撑框架，其中，倒L型支撑框架底部通过固定座固定在地面，倒L型支撑框架顶部安装两根可调整水平位置的连接板，X方向的两根直线导轨安装在连接板上，Y方向的两根直线导轨安装在X方向直线导轨滑块表面上，移动天车安装在Y方向直线导轨滑块表面上，通过调整连接板使移动天车表面处于水平状态，移动天车与竖直恒张力悬挂模块相固连，两个伺服电机通过同步带连接可分别带动移动天车和竖直恒张力悬挂模块沿X、Y方向做往复运动，两个对称安装的二维倾角传感器同时测量航天器运动过程中悬挂吊丝偏离竖直方向的两个夹角，将测量数据融合输送给控制模块，通过控制伺服电机运行加速度使航天器运动过程中悬挂吊丝处于竖直状态，保证悬挂吊丝对航天器不产生水平方向干扰力。

所述竖直恒张力悬挂模块包括力矩电机、齿轮齿条、悬挂吊丝和S型张力传感器，其中，悬挂吊丝一端与齿条固连，另一端与无约束连接模块中的连接套固连，力矩电机通过齿轮连接可驱动齿条、悬挂吊丝和无约束连接模块在竖直方向上做往复运动，S型张力传感器测量航天器运动过程中悬挂吊丝的张力，将测量数据输送给控制模块，通过控制力矩电机运行加速度使航天器运动过程中悬挂吊丝的张力等于航天器和无约束连接模块所受重力之和，保证航天器运动过程中悬挂吊丝的张力始终恒定。