剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統技術方案

剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統，屬于航天控制技術領域。該仿真實驗系統由磁浮臺子系統、撓性附件子系統、快速機動天線子系統、液體燃料箱子系統和大型柔性天線子系統組成。應用連通器原理設計了液體燃料箱系統子系統，保證四個燃料箱液面同步下降，各燃料箱液體流量相同不會引起偏心，確保磁浮臺正常工作。采用齒輪傳動系統同步驅動一對反對稱安裝的快速機動天線，使得天線的運動不會引起公共質心變化，避免對磁浮臺造成不良影響。通過選擇不同控制、測量、激振組合，該實驗系統可以用于研究剛彈液耦合系統的動力學特性、中心體姿態機動及多目標姿態跟蹤控制等多類問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于航天控制技術范圍，特別涉及一種剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統。技術背景航天器物理仿真實驗是指以氣浮或磁浮臺模擬衛星本體，控制器使用星上實際控制系統 所進行的仿真實驗。它是衛星研制過程中采用的重要手段和方法，可以驗證控制系統方案設 計的正確性和檢驗實際控制系統的指標性能。在國內外航天器物理仿真實驗中，對于單軸氣 浮臺(或單軸磁浮臺)，以單剛體加柔性部件的配置較為常見。對于三軸氣浮臺，則以單剛體 為主要配置，也有些實驗系統在三軸氣浮臺上配置小慣量轉動附件。綜合考慮剛彈液耦合因 素的多體航天器物理仿真系統并不多見。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統，即提供一種綜合考慮剛 彈液耦合因素的多體航天器物理仿真系統；從動力學角度，研究剛彈液耦合多體系統的動力 學特性，驗證復雜航天器的建模方法，為數值仿真提供參考和依據；從控制角度，考慮存在 附件彈性和液體晃動及燃料消耗的情況，研究中心體的姿態機動與跟蹤控制問題；研究具有 多個轉動附件航天器的多目標跟蹤控制問題。本專利技術的技術方案如下一種剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統，含有單軸磁浮臺子系統1和撓性附件子系統 2，單軸磁浮臺子系統1含有臺上計算機60，臺下計算機61，磁浮臺底盤28和磁浮臺上盤 59，其特征在于該系統還含有液體燃料箱子系統4，所述的液體燃料箱子系統包括四個液 體燃料箱22，收集罐19，激光測距傳感器69和激振器70，四個液體燃料箱21對稱安裝并 固連在磁浮臺上盤59上，收集罐19固連于磁浮臺底盤28)上，且收集罐19的軸線與磁浮 臺底盤28轉軸重合，收集罐分為上腔和下腔，上腔和下腔由電控閥門24)連通，下腔通過 導氣管23與大氣連通，上腔通過運輸管21與液體燃料箱22連通；液體燃料箱子系統4中燃 料液面變化通過激光測距傳感器69測量，測量信號傳輸到臺上計算機60;通過臺上計算機 60控制第二激振器70和電控閥門24;本專利技術的技術特征還在于該系統還包括快速機動天線子系統3，該子系統水平安裝于 磁浮臺的上盤59上，它由步進電機12、傳動系統16、兩個機動天線18和減速器13組成； 所述的傳動系統16由主動齒輪、傳動齒輪和從動齒輪構成，兩個機動天線分別與主動齒輪和 從動齒輪連接；快速機動天線子系統3中機動天線18的姿態通過第二旋轉變壓器68測量， 測量信號傳輸到臺上計算機60;通過臺上計算機60控制第二步進電機12。本專利技術的又一技術特征是所述的剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統還包括大型柔性天線子系統5，該子系統包括大型天線30、柔性支撐臂29和小型氣浮臺32，大型天線30通 過柔性支撐臂29與磁浮臺底盤28固連；所述的大型天線包括天線軸47、用于調整天線軸垂 直度的調整裝置，旋轉變壓器44、減速器37和天線砝碼51;旋轉變壓器44和減速器分別通 過聯軸器與天線軸47相連接，天線砝碼51通過天線臂49與天線軸相連；天線軸47通過軸 承座41與調整裝置相連，調整裝置由支撐連接板36，調整連接板35和調整連接管53組成； 調整連接管53通過摩擦片58與柔性支撐臂29相連；天線砝碼51通過第一氣墊31置于小型 氣浮臺32上。旋轉變壓器44通過第二氣墊置于小型氣浮臺32上；大型柔性天線了系統5中 的大型天線的姿態通過第一旋轉變壓器44測量，柔性支撐臂29)的振動通過第二線性加速 度計71測量，測量信號分別傳輸到臺上計算機60;通過臺上計算機60控制第三激振器72 和第三歩進電機。本專利技術與現有技術相比，具有以下優點即突出性效果本專利技術所示提供的剛彈液耦合航 天器物理仿真實驗系統由磁浮臺子系統、撓性附件子系統、快速機動天線子系統、液體燃料 箱子系統和大型柔性天線子系統組成。由于考慮了諸多工程實際因素，本專利技術能夠提供一個 較為貼近實際的剛彈液耦合多體航天器系統。通過該系統驗證的控制方案和相關實驗結果具 有較高工程參考價值。該物理仿真實驗系統主要用于研究剛彈液耦合多體航天器在軌運行的 動力學行為及相關姿態控制問題。 附圖說明圖1是剛彈液耦合多體航天器物理仿真系統示意圖。圖2是撓性附件系統結構示意圖。圖3是快速機動天線系統結構示意圖。圖4是液體燃料箱系統結構示意圖。圖5是液體收集罐的剖視圖。圖6是液體燃料箱系統傳感器和激振器分布示意圖。圖7是大型柔性天線系統結構示意圖。圖8是圖7中A向示意圖。圖9是圖7中B向示意圖。圖10是圖9中C部分的局部剖視圖。圖11是剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統的測量與控制示意圖。圖中1-單軸磁浮臺子系統；2-撓性附件子系統；3-快速機動天線子系統；4-液體燃料 箱子系統；5-大型柔性天線子系統；6-螺母；7-第一步進電機及傳動裝置；8-支承架；9-夾 緊裝置；10-撓性板；11-滾珠絲桿；12-第二步進電機；13-減速器；14-減速器底座；15-第一砝碼；16-齒輪傳動系統；17-配重；18-機動天線；19-收集罐；20-隔板；21-運輸管；22-燃料箱；23-導氣管；24-電控閥門；25-引導管；26-下腔；27-上腔；28-磁浮臺底盤；29-柔性支撐臂；30-大型天線；31-第一氣墊；32-小型氣浮臺；33-第二氣墊；34_加固環；35-調整連接板；36-支承連接板；37-減速器；38-減速器支架；39-上聯軸器；40-軸承座蓋；41 軸承座；42傳感器支架；43傳感器座；44第一旋轉變壓器；45-下聯軸器；46傳感器壓蓋； 47天線軸；48定位螺栓；49天線臂；50-砝碼座；51_第二砝碼；53-調整連接管；54-第一 緊固螺栓；55-第二緊固螺栓；57-第三緊固螺栓；58-摩擦片58; 60-臺上計算機；61-臺下 計算機；62-感應同步器；63-速度積分螺陀；64-動量輪；65-噴氣發動機；66-第一線性加速 度計；67-第一激振器；68-第二旋轉變壓器；69-激光測距傳感器；70-第二激振器；71-第二 線性加速度計；72-第三激振器；73-第三歩進電機。具體實施方式如圖1所示，剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統由單軸磁浮臺子系統l、撓性附件子 系統2、快速機動天線子系統3、液體燃料箱子系統4和大型柔性天線子系統5組成。在物理 實驗方案設計中，單軸磁浮臺子系統l、撓性附件子系統2采用了目前的成熟技術方案，快 速機動天線子系統3和液體燃料箱子系統4是本專利技術的創新性設計。單軸磁浮臺子系統1用于模擬太空無重力環境。單軸磁浮臺子系統主要由磁浮臺底盤28、 動量輪64、噴氣發動機65、感應同歩器62、速度積分陀螺63、主從計算機系統60和61組 成。單軸磁浮臺1的磁浮臺底盤28上安裝有臺上計算機60，可與臺下計算機61進行無線通 信，如圖l和圖ll所示。磁浮臺底盤28用以模擬航天器中心剛體。可以利用磁浮臺幾乎無 摩擦的特點，模擬航天器在軌運動情況。同時，在磁浮臺底盤28上安裝有航天器正常工作所 需的相關設備(如動量輪64、噴氣發動機65、感應同步器62、速度積分陀螺63、電源、數 據采集系統、臺上計算機60等)。中心剛體(磁浮臺底盤28)的執行機構采用"動量輪64-噴氣發動機65"組合方式。其中，動量輪64可以輸出正反向連續變化的控制力矩，應用噴 氣發動機65可以對動量輪64進行卸載。采本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種剛彈液耦合航天器物理仿真實驗系統，含有單軸磁浮臺子系統（１）和撓性附件子系統（２），單軸磁浮臺子系統（１）含有臺上計算機（６０），臺下計算機（６１），磁浮臺底盤（２８）和磁浮臺上盤（５９），其特征在于：該系統還含有液體燃料箱子系統（４），所述的液體燃料箱子系統包括四個液體燃料箱（２２），收集罐（１９），激光測距傳感器（６９）和激振器（７０），四個液體燃料箱（２１）對稱安裝并固連在磁浮臺上盤（５９）上，收集罐（１９）固連于磁浮臺底盤（２８）上，且收集罐（１９）的軸線與磁浮臺底盤（２８）轉軸重合，收集罐分為上腔和下腔，上腔和下腔由電控閥門（２４）連通，下腔通過導氣管（２３）與大氣連通，上腔通過運輸管（２１）與液體燃料箱（２２）連通；液體燃料箱子系統（４）中燃料液面變化通過激光測距傳感器（６９）測量，測量信號傳輸到臺上計算機（６０）；通過臺上計算機（６０）控制第二激振器（７０）和電控閥門（２４）；。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：袁長清，李俊峰，王天舒，徐劍波，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：11[]