空間系繩系統地面試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種空間系繩系統地面試驗裝置，適用于初步檢驗空間系繩系統長系繩展開過程中動力學模型和控制理論研究成果，可以測試不同擾動作用下系統和控制算法的可靠性，且結構簡單，系繩可循環使用。
【專利說明】空間系繩系統地面試驗裝置
【技術領域】
[0001] 本發明屬于航天【技術領域】，涉及一種空間系繩系統地面試驗裝置。
【背景技術】
[0002] 空間系繩系統是通過系繩將小航天器與基站航天器連接起來而形成的新型空間 飛行器，是非常有前景的空間科學發展方向。它在近地空間和深空探測方面具有廣闊的應 用前景，如產生人造重力、空間運輸、從軌道上回收有效載荷、從空間站上發射小衛星、利用 地球地磁場進行軌道機動、建造軌道電站、探測大氣層及地磁場和重力場等。在空間系繩系 統的研究與應用過程中，研制系繩展開控制機構原理樣機并建立地面模擬仿真試驗平臺開 展地面試驗驗證研究是一項基礎而非常重要的工作。地面模擬試驗裝置是用來初步檢驗航 天系統動力學和控制理論研究成果的重要工具，通常作為代價昂貴且耗時的在軌飛行實驗 的必要準備步驟。南京航空航天大學的國家自然科學基金項目"繩系控制系統非線性動力 學：理論和實驗研究"（編號：10372039)在借鑒國外研究成果基礎之上根據天-地動力學 相似原理，設計了圓軌道系繩衛星面內運動地面試驗系統。該試驗系統的特點在于利用氣 墊和噴氣模擬系繩系統的空間動力學環境，如重力梯度和科氏力。但仍存在不足之處，由 于地面試驗系統的空間局限性，系繩展開最大長度僅為3m，而實際空間系繩系統的系繩長 度可達幾十公里。
【發明內容】
[0003] 要解決的技術問題
[0004] 本發明的第一個目的在于針對現有技術的不足之處，提供一種系繩可重復利用且 結構簡單、成本低、適用于長達幾十公里的長系繩展開測試試驗的地面試驗裝置。
[0005] 本發明的第二個目的在于提供一種采用了上述地面試驗裝置完成基站航天器上 系繩釋放長度的測量和制動控制功能以及小航天器上系繩對基站航天器作用的模擬，可以 初步檢驗空間系繩系統長系繩展開過程中動力學模型和控制理論研究成果，測試不同擾動 作用下系統和控制算法的可靠性。
[0006] 技術方案
[0007] -種空間系繩系統地面試驗裝置，其特征在于包括底座1、定滑輪2、測速機構、制 動控制機構、張力測量機構和空間環境模擬機構；定滑輪2、測速機構、制動控制機構、張力 測量機構和空間環境模擬機構固定安裝在底座1上；所述測速機構包括測速輪401、磁鐵 402、導向桿3、霍爾傳感器403和第一支座404,測速輪401安裝在第一支座404上，測速輪 401輪盤的一面上均勻安裝有四塊磁鐵402,與磁鐵直接靠近的第一支座404的一側上固定 一個霍爾傳感器403,導向桿3位于霍爾傳感器403外側，系繩5纏繞測速輪401 -圈，系 繩5釋放過程中帶動測速輪401轉動，霍爾傳感器403感應磁鐵產生脈沖信號來測量測速 輪401的轉數；所述制動控制機構包括控制電機601和摩擦輪602,系繩5纏繞摩擦輪602 一圈，控制電機601帶動摩擦輪602轉動，與系繩5之間產生摩擦力來控制系繩5釋放速 度；所述張力測量機構包括第二支座701和應變傳感器702,應變傳感器702安裝在第二支 座701上，系繩5穿過第二支座701產生彈性形變通過應變傳感器702測量系繩張力；所述 空間環境模擬機構包括上皮帶輪802、下皮帶輪803、張緊輪805、皮帶804、支架801和隨動 電機806,上皮帶輪802、下皮帶輪803和張緊輪805安裝在支架801上，系繩5纏繞張緊輪 805半圈，上皮帶輪802、下皮帶輪803和皮帶804使系繩5嵌入張緊輪805中，以防系繩5 跟張緊輪805產生相對滑動，隨動電機806控制張緊輪805轉動，張緊輪805的轉動帶動系 繩5釋放，以此來模擬空間環境重力梯度力。
[0008] 所述的摩擦輪602上涂有防滑材料。
[0009] 所述定滑輪2設有兩個轉輪，系繩通過定滑輪上面的轉輪和測速輪相連，下面的 轉輪通過系繩和定滑輪上面的轉輪相連，使系繩釋放后又進行回收，循環使用。
[0010] 有益效果
[0011] 本發明提出的一種空間系繩系統地面試驗裝置，適用于初步檢驗空間系繩系統長 系繩展開過程中動力學模型和控制理論研究成果，可以測試不同擾動作用下系統和控制算 法的可靠性，且結構簡單，系繩可循環使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1空間系繩系統地面試驗裝置俯視圖
[0013] 圖2空間系繩系統地面試驗裝置主視圖
[0014] 圖3系繩長度測量機構結構示意圖
[0015] 圖4空間環境模擬機構結構示意圖
[0016] 1-底座；2-定滑輪；3-導向桿；401-測速輪；402-磁鐵；403-霍爾傳感器；404-第 一支座；5-系繩；601-控制電機；602-摩擦輪；701-第二支座；702-應變傳感器；801-支 架；802-上皮帶輪；803-下皮帶輪；804-皮帶；805-張緊輪；806-隨動電機；
【具體實施方式】
[0017] 現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：
[0018] 本發明所述的一種空間系繩系統地面試驗裝置，包括底座1、定滑輪2、測速機構、 制動控制機構、張力測量機構和空間環境模擬機構；定滑輪2、測速機構、制動控制機構、張 力測量機構和空間環境模擬機構固定安裝在底座1上；定滑輪2設有兩個轉輪，系繩通過定 滑輪上面的轉輪和測速輪相連，下面的轉輪通過系繩和定滑輪上面的轉輪相連，使系繩釋 放后又進行回收，循環使用；所述測速機構包括測速輪401、磁鐵402、導向桿3、霍爾傳感器 403和第一支座404,測速輪401安裝在第一支座404上，測速輪401輪盤的一面上均勻安 裝有四塊磁鐵402,與磁鐵直接靠近的第一支座404的一側上固定一個霍爾傳感器403,導 向桿3位于霍爾傳感器403外側，系繩5纏繞測速輪401 -圈，系繩5釋放過程中帶動測速 輪401轉動，霍爾傳感器403感應磁鐵產生脈沖信號來測量測速輪401的轉數；所述制動控 制機構包括控制電機601和摩擦輪602,系繩5纏繞摩擦輪602 -圈，摩擦輪602上涂有防 滑材料，控制電機601帶動摩擦輪602轉動，與系繩5之間產生摩擦力來控制系繩5釋放速 度；所述張力測量機構包括第二支座701和應變傳感器702,應變傳感器702安裝在第二支 座701上，系繩5穿過第二支座701產生彈性形變通過應變傳感器702測量系繩張力；所述 空間環境模擬機構包括上皮帶輪802、下皮帶輪803、張緊輪805、皮帶804、支架801和隨動 電機806,上皮帶輪802、下皮帶輪803和張緊輪805安裝在支架801上，系繩5纏繞張緊輪 805半圈，上皮帶輪802、下皮帶輪803和皮帶804使系繩5嵌入張緊輪805中，以防系繩5 跟張緊輪805產生相對滑動，隨動電機806控制張緊輪805轉動，張緊輪805的轉動帶動系 繩5釋放，以此來模擬空間環境重力梯度力。
[0019] 本發明空間系繩系統地面試驗裝置通過基站航天器上的設備模塊和小航天器上 的設備模塊來完成空間系繩系統地面展開試驗。基站航天器上的設備模塊完成所釋放的系 繩長度、速度的測量和制動控制機構的控制；小航天器上的設備模塊完成空間環境的模擬 以及系繩張力的測量。
[0020] 基站航天器上的設備模塊包括測速機構和制動控制機構，完成基站航天器上的對 系繩展開長度、速度的測量，并通過改變系繩與摩擦輪之間的摩擦力，進而改變系繩運動速 度和張力，來控制空間系繩系統的展開過程。系繩釋放長度可以通過測量系繩纏繞的測速 輪轉數來計算，從而可以得到系繩釋放的速度。測速輪的材料應保證與系繩良好的接合，避 免打滑。測速輪輪盤上安裝有磁鐵，為了測速輪上的平衡，安裝四個磁鐵，而在與磁鐵直接 靠近的支架上固定一個霍爾傳感器作為敏感元件，從而測量測速輪的轉數。測速輪半徑為R =15. 92cm，根據圓周長公式有L = 2 π R = lm，那么展開一米系繩內將產生4脈沖，可在微 控制器中計算這些脈沖。測速輪轉一圈相當于系繩釋放lm，計算每秒的轉數，即得到系繩釋 放速度。地面試驗開始運行后，將會利用張力測量機構的應變傳感器信號作為輸入信號，制 動控制機構作為控制裝置對系繩釋放過程進行控制。制動控制機構控制可以保證系繩張力 任務的最大精度，最小制動力0. 01N，最大制動力5N。制動控制機構利用步進控制電機使摩 擦輪與系繩之間產生摩擦力來控制釋放速度。當控制電機與隨動電機轉數不一致時摩擦輪 與系繩之間產生相對滑動從而產生摩擦力，通過調節控制電機與隨動電機的轉數差來改變 系繩對摩擦輪的摩擦力，進而改變系繩運動速度和張力，來控制空間系繩系統的展開過程。
[0021] 小航天器上的設備模塊包括張力測量機構和空間環境模擬機構，實現小航天器 上對系繩張力的測量以及系繩對基站航天器的重力梯度力作用。張力測量機構對系繩 進行應變測量，系繩展開過程中張力在〇. 01-3N范圍內變化，根據這個要求，選擇Vishay Precision Group公司的應變傳感器1004型作為系繩張力測量敏感元件，這個應變傳感器 的測量上限為300gf (約3N)。根據上述測速機構測得的系繩所釋放的長度計算重力作用 差，即重力梯度力。根據張力測量機構所測得的張力與重力梯度力的關系來設定隨動電機 的轉速。上下皮帶輪和皮帶使系繩緊緊嵌入張緊輪中，以防系繩跟張緊輪產生相對滑動，隨 動電機控制張緊輪轉動，張緊輪的轉動帶動系繩釋放，以此來模擬空間環境。
[0022] 本實施例提供的地面試驗裝置能夠控制釋放速度在0-25m/s之間任意變化并且 提供超過25N的拉力，適用于初步檢驗空間系繩系統長系繩展開過程中動力學模型和控制 理論研究成果，可以測試不同擾動作用下系統和控制算法的可靠性，且結構簡單，系繩可循 環使用。
【權利要求】
1. 一種空間系繩系統地面試驗裝置，其特征在于包括底座（1)、定滑輪（2)、測速機 構、制動控制機構、張力測量機構和空間環境模擬機構；定滑輪（2)、測速機構、制動控制機 構、張力測量機構和空間環境模擬機構固定安裝在底座（1)上；所述測速機構包括測速輪 (401)、磁鐵（402)、導向桿（3)、霍爾傳感器（403)和第一支座（404)，測速輪（401)安裝在 第一支座（404)上，測速輪（401)輪盤的一面上均勻安裝有四塊磁鐵（402)，與磁鐵直接 靠近的第一支座（404)的一側上固定一個霍爾傳感器（403)，導向桿（3)位于霍爾傳感器 (403)外側，系繩（5)纏繞測速輪（401) -圈，系繩（5)釋放過程中帶動測速輪（401)轉動， 霍爾傳感器（403)感應磁鐵產生脈沖信號來測量測速輪（401)的轉數；所述制動控制機構 包括控制電機（601)和摩擦輪￠02)，系繩（5)纏繞摩擦輪（602) -圈，控制電機（601)帶 動摩擦輪（602)轉動，與系繩（5)之間產生摩擦力來控制系繩（5)釋放速度；所述張力測 量機構包括第二支座（701)和應變傳感器（702)，應變傳感器（702)安裝在第二支座（701) 上，系繩（5)穿過第二支座（701)產生彈性形變通過應變傳感器（702)測量系繩張力；所 述空間環境模擬機構包括上皮帶輪（802)、下皮帶輪（803)、張緊輪（805)、皮帶（804)、支 架（801)和隨動電機（806)，上皮帶輪（802)、下皮帶輪（803)和張緊輪（805)安裝在支架 (801)上，系繩（5)纏繞張緊輪（805)半圈，上皮帶輪（802)、下皮帶輪（803)和皮帶（804) 使系繩（5)嵌入張緊輪（805)中，以防系繩（5)跟張緊輪（805)產生相對滑動，隨動電機 (806)控制張緊輪（805)轉動，張緊輪（805)的轉動帶動系繩（5)釋放，以此來模擬空間環 境重力梯度力。
2. 根據權利要求1所述的一種空間系繩系統地面試驗裝置，其特征在于所述的摩擦輪 (602)上涂有防滑材料。
3. 根據權利要求1所述的一種空間系繩系統地面試驗裝置，其特征在于所述定滑輪 (2)設有兩個轉輪，系繩通過定滑輪上面的轉輪和測速輪相連，下面的轉輪通過系繩和定滑 輪上面的轉輪相連，使系繩釋放后又進行回收，循環使用。
【文檔編號】B64G7/00GK104058111SQ201410239255
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】王長青, 李愛軍, 杜崇剛, 王鑫, 王盼冰 申請人:西北工業大學