[发明专利]液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器系统

说明书

本发明公开了一种液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器系统，包括搭载实验体模型并为实验体模型提供水阻力补偿力和剩余重力补偿力的通用载荷平台，通用载荷平台也为自身提供水阻力补偿力和随动力，实验体模型搭载在通用载荷平台上方。本发明不仅充分考虑了通用载荷平台的结构特点、任务要求与运动特性，而且也考虑了通用载荷平台与实验体模型组合体的结构特点与运动特性。通用载荷平台使用该推力器布局方案后，能顺利完成剩余重力补偿与阻力补偿任务，从而使得微重力实验能充分地验证航天器的新技术，为航天器的成功研制增加了新的手段。

技术领域

本发明属于地面微重力效应模拟及航天器地面微重力实验领域，具体涉及一种液磁混合悬浮微重力实验通用载荷平台的推进器系统。

背景技术

一种新的航天器，在发射入轨前，必须对其新技术进行验证，地面微重力实验是一种重要的验证手段。在磁液混合悬浮微重力环境中进行航天器的微重力实验，具备诸多优点。

在磁液混合悬浮水池中进行航天器的微重力实验，需要通用载荷平台来搭载实验体模型。实验体模型即与真实航天器相似，相对于真实航天器缩小或放大的模型。通用载荷平台即用来搭载实验体模型，并补偿验体模型的水阻力与剩余重力的平台。进行实验时，通用载荷平台要完成以上任务，就需要配置推进器系统。

在推进器系统的设计中，推进器布局十分重要。进行通用载荷平台推进器的布局，需要考虑通用载荷平台的结构特点、任务要求与运动特性来进行。进行实验时，通用载荷平台与实验体模型构成一个组合体，所以进行推进器布局，也需要考虑组合体的结构特点与运动特性。

通用载荷平台由剩余重力补偿系统、控制与执行机构、载荷搭载系统组成。剩余重力补偿系统的主体为圆柱体或长方体的永磁铁，永磁铁中，与底面平行的截面关于中心线轴对称。控制与执行机构的主要部分为推进器组。载荷搭载系统是一个三框架结构，内框架搭载实验体模型，实验体模型的质心分别通过三个框架的转轴。外框架通过连杆与剩余重力补偿系统固连。实验前按照这种方式将实验体模型与通用载荷平台组装在一起，形成一个组合体。进行实验时，实验体模型位于组合体的上方，通用载荷平台位于组合体的下方，由于载荷搭载系统是三框架结构，所以组合体的两个分体姿态解耦。

通用载荷平台有两项任务，其中一项是对实验体模型的剩余重力进行补偿。实验体模型剩余重力的特性，决定了通用载荷平台的部分任务要求。因为实验体模型的剩余重力作用点位于其质心，并且沿着铅垂线方向，而剩余重力补偿力应该与剩余重力大小相等，方向相反，所以剩余重力补偿力也应该沿着铅垂方向并且通过实验体模型的质心。剩余重力补偿力由剩余重力补偿系统生成，剩余重力补偿系统的永磁铁在分布式电磁场中产生电磁力，电磁力最终形成剩余重力补偿力。由于剩余重力补偿力铅直并且通过实验体模型质心，所以要求电磁力方向也铅直并且通过实验体模型质心。又因为分布式电磁场的磁场线沿着铅直方向，所以在实验过程中，永磁铁底面就应该保持水平，并且其底面中心线通过实验体模型质心。

在航天器的地面微重力实验之中，有时要求实验体模型质心在三维空间内进行运动。而实验过程中，要求永磁铁底面中心线通过实验体模型质心，这就决定了实验过程中，永磁铁应该与实验体模型保持质心运动一致，也就是要求剩余重力补偿系统与实验体模型保持质心运动一致，即通用载荷平台的质心与实验体模型质心保持随动，显然通用载荷平台的质心也需要进行三维运动。这就要求推进器系统为通用载荷平台提供三维随动力。在通用载荷平台中，剩余重力补偿系统的质量远远大于其它部件的质量，所以通用载荷平台所提供的随动力主要施加在剩余重力补偿系统上。

通用载荷平台的另一项功能是对实验体模型的水阻力进行补偿，精确的水阻力补偿是微重力实验成功的关键。实验体模型的水阻力方向与实验体模型的运动方向相反，并且经过实验体模型质心，所以通用载荷平台所提供的水阻力补偿力也应该通过实验体模型的质心。由于某些情况下，实验体模型的质心运动三维空间中进行，所以要求通用载荷平台能提供三维空间内任意方向的水阻力补偿力，水阻力补偿力的作用点应该在实验体模型的质心上。