本技术提供了一种用于模拟零重力环境的气动悬浮系统及控制方法,包括支撑组件、悬浮组件和控制系统。支撑组件含箱体、顶板及主轴,顶板内置于箱体,箱体两侧有竖直导轨,主轴贯穿顶板与箱底,顶部用于悬挂测试物体。悬浮组件包括横梁、缸筒、气浮活塞、活塞杆和气源,横梁沿导轨滑动,内部设有气流通道连接气浮轴承,缸筒内置气浮活塞,将缸筒分为上下腔室,上腔室连通大气,下腔室由气源供气,活塞杆两端分别连接气浮活塞和横梁。控制系统控制气源的输气工作。本发明所述气动悬浮系统不仅有效减少了系统本身的摩擦,还通过控制系统实现了动态自适应平衡,从而提供了更为精准和稳定的悬浮效果。
背景技术
随着载人航天技术的逐步发展和对外层空间开发利用计划的日益关注,零重力环境模拟系统的研究和开发在航天领域技术研究中十分活跃。国际空间站的建成与使用进一步推动该领域研究的发展。卫星、飞行器和太空站等航天系统在轨飞行以前,为保证系统的高精度和可靠性,必须在地面上对其空间结构各子系统进行动力学试验。然而,在地面模拟太空环境对结构动力学进行测试时,必须在支撑试验对象重量的同时,不施加任何约束力。这就意味着应使试验对象自由地悬浮在空中,这样才能达到所谓无约束的“自由-自由”边界条件的模拟。迄今为止,模拟太空零重力环境的方法主要包括自由落体法、气浮法、水下模拟失重法、悬吊法。其中气悬浮模拟法凭借其结构简单、不影响模态真实性,并且能够实现长时间的零重力悬浮模拟,逐渐成为一种更优越的方案。气悬浮法基于气体润滑原理,以空气作为润滑剂,摩擦阻力几乎为零。此外,由于气动技术本身具有低成本、简易的装置结构、较高的功率与重量比、清洁无污染、易于维护和使用,以及对周边环境要求相对较低的特点,为零重力环境模拟提供了极为有利的条件。
近年来,随着对零重力环境的应用场景增多,多种零重力环境模拟的方案被提出。例如申请号为CN201810229128.3的中国实用型专利公开了一种用于柱面展开的零重力悬挂试验装置,利用悬挂绳一端和展开机构连接,另一端穿过滑轮和配重连接,从而平衡机构自重实现零重力悬挂。申请号为CN202310564318.1的中国发明专利公开了一种可补偿附加质量惯性力的零重力环境模拟装置,通过惯性力补偿组件检测装置运动状态并控制运动跟随组件和可调气浮平台组件以补偿附加质量惯性力。不过这些方法由于系统本身存在的摩擦,并且系统难以实现自平衡,从而影响零重力模拟的控制精度和稳定性。
实现思路