[发明专利]一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法

说明书

本发明公开一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法，属于微低重力模拟试验领域，装置包括近零刚度支承组件、运动跟随组件和负载设备质量监测组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，负载设备质量监测组件与变质量负载相连，变质量负载固定或者铰接于近零刚度支承组件上，负载设备质量监测组件包括负载设备控制器和负载质量传感单元，负载设备控制器与负载质量传感单元相连，负载设备传感单元用于实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，从而控制进行相应的补偿。本发明装置和方法响应精度高、速度快，装置行程更大，用于在大行程内实现高保真、变质量垂向重力环境模拟。

技术领域

本发明属于航天工程微低重力模拟试验领域，更具体地，涉及一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法。

背景技术

航天器设计研发成本和在轨执行任务的风险较高，为了确保航天器的运行可靠性和安全性，发射升空前必须在地面进行航天器件的性能验证，因此需要模拟高保真的微低重力环境。

查阅文献发现常用的微低重力环境模拟方法按原理分为：运动法模拟微重力和力平衡法模拟微重力，运动法模拟微重力包括落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等方式，力平衡法模拟微重力包括气浮法、水浮法、悬吊法、静平衡机构法、电磁平衡法等。

其中静平衡法的装置结构精巧，易于实现，可实现多自由度微重力模拟，附加惯性效应小，缺点是微重力模拟精度易受弹簧刚度等因素影响。

此外现有静平衡法微低重力环境模拟装置主要是采用恒力气缸进行重力的卸载，达到微低重力环境模拟，但是由于气体强可压缩性带来的非线性控制和时滞问题，严重影响微低重力环境模拟的精度和响应速度，无法满足航天器的微低重力环境模拟需求。其次，在微低重力环境模拟过程中，负载设备可能因如喷气变轨或姿态调整等主动操作，而导致负载质量实时变化，需要对因质量实时变化导致的支承高度变化进行补偿，以保证模拟试验的精度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法，旨在解决微低重力环境模拟装置重力卸载精度低的问题。

为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其包括近零刚度支承组件、运动跟随组件和负载设备质量监测组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，负载设备质量监测组件与变质量负载相连，变质量负载固定或者铰接于近零刚度支承组件上，

近零刚度支承组件包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线式作动器，顶板和底板相互平行，顶板用于承载待模拟的负载设备，被动支承单元的承载能力大于待模拟的负载设备所受的重力，运动跟随组件与底板相连，用于给底板提供激励，以使底板跟随顶板伴产生预定的速度和运动，

负载设备质量监测组件包括负载设备控制器和负载质量传感单元，负载设备控制器与负载质量传感单元相连，负载设备传感单元用于实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器同时还与直线式作动器信号相连，

工作中，负载设备质量发生变化时，通过负载质量传感单元实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器生成质量变化补偿的前馈力信号，直线式作动器根据该前馈力信号通过顶板对负载设备实时补偿，被动支承单元、直线式作动器、运动跟随组件共同协作，以在地球环境下给质量实时变化的待模拟的负载设备提供位于重力加速度为g'的星球表面或太空受力环境，其中，0≤g'g，g为地球表面重力加速度。

进一步的，所述负载质量传感单元包括气体压力传感器和质量流量计，所述气体压力传感器安装于负载设备储气罐内部，具有至少一个，其用于监测负载设备储气罐内压力的变化从而能计算出气体质量消耗量，所述质量流量计安装于负载设备喷气管路中，具有至少一个，用于直接监测负载设备各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量。