[发明专利]一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统

说明书

本发明属于高温超导磁悬浮领域，是一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，主要包括超导平动磁悬浮结构、标定装置和测量装置。具体分为超导平面铺层、永磁浮台、冷却剂容器、小球、圆弧导轨、图像采集设备、支架。利用超导体零场冷下的完全抗磁性，消除了磁通钉扎，使永磁浮台平动不受阻碍；超导平面铺层采用叠层超导带和拼接超导体结合的两层结构，在保证悬浮力的同时降低了超导体拼接缝隙对平动阻尼的影响，结构简单且可行性高；永磁浮台尺寸远小于超导平面尺寸，降低了超导体的边缘效应，保证悬浮力稳定。本发明将解决现有气浮台半实物仿真方法的结构复杂、质量大、摩擦阻尼较大等问题。

技术领域

本发明涉及微小卫星物理仿真以及阻尼力测量等领域，具体是一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统。

背景技术

随着航天科技的不断进步以及航天任务要求的日益提高，微小卫星开始广泛使用。用于微小卫星的微推力器推力小、比冲高，能够对卫星的轨道和姿态进行精确调整。为避免推力器故障，确保卫星在轨运行的可靠性，有必要对其进行地面半实物仿真测试。然而，微小卫星的推重比非常小，对其地面测试提出了很高的要求。

目前常见的半实物仿真设备通常采用气浮平台，然而，气浮平台对于气体工质具有强依赖性，无法在真空环境下运行，结构复杂且体积庞大，大大限制了半实物仿真平台的测量精度和灵敏度，不利于微推力器的地面半实物仿真。

超导磁悬浮轴承结构简单，无需特定的工质即可实现悬浮，可以在真空条件下使用，此外，其摩擦系数小且承载能力强，可以有效模拟太空微重力、低摩擦的工作环境。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，其整体结构简单，可以实现无源悬浮，无需复杂的悬浮控制系统；承载能力高，可以实现至少5kg的有效载荷，可以满足微小卫星的半实物仿真需求；系统运行阻尼小，摩擦损耗系数可达到10^-5量级以下。

所述的超导平动磁悬浮系统包括超导平动悬浮结构、阻尼标定装置、平动轨迹采集装置。超导平动磁悬浮结构包括超导平面铺层、永磁浮台、冷却结构；阻尼标定装置包括圆弧导轨、小球、测速光栅；平动轨迹采集装置包括图像传感器、相机支架。

超导平面铺层采用双层铺设结构，下层的超导块拼接层提供大部分的悬浮力，上层的叠层超导带可以降低超导块拼接缝隙带来的磁滞，降低永磁浮台运动中的阻尼和磁滞损耗，整个超导平面水平放置于样本架的槽内，尽量减小拼接间隙。

永磁浮台位于超导平面铺层上方，包括永磁体和负载平台。四块圆柱形钕铁硼永磁体分别固定于负载平台下方的四个角；负载平台上方承载微推力器，下方为永磁体提供限位结构，为避免永磁体磁场干扰推进器，平台也提供磁场屏蔽的作用。

冷却结构包括冷却剂和冷却容器，液氮作为冷却剂，可以满足高温超导体的冷却需求，液氮容器为方形泡沫盒，低温下不易变形，保温性能良好。

标定装置中的圆弧导轨，采用圆弧沟槽结构，小球释放段和出口段的高度差为20mm，导轨通过两个支撑杆与实验平台连接。

测速光栅位于圆弧导轨出口段，用于负责测量小球在出口段的速度。

图像传感器用于采集永磁浮台的运动轨迹，核心设备为CCD相机，相机主要参数为：分辨率为1280×960dpi，像素为水平3.75μm，垂直3.75μm，帧速率为30fps，最小曝光时间10^-6s。采用相机的灰度模式采集图像，存储到计算机中进行处理。

相机支架用于支撑相机和调整相机的位置，保证相机的拍摄范围能够完全覆盖永磁浮台的运动范围。

本发明的优点

1)一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，利用超导体零场冷下的完全抗磁性，在保证悬浮力的同时确保永磁浮台在水平方向可以自由平动，具有低损耗、高承载的特点，可在真空条件下使用。