[发明专利]一种可质心自动找准的无约束悬挂系统设计方法

说明书

所属技术领域

本发明属于航天器导航、制导与控制系统地面验证技术领域，具体涉及一种用于变结构航天器地面验证的质心自动找准无约束悬挂系统实现方法。

背景技术

航天工程是一项高风险、高投入、高回报、高度复杂并且高精度的系统工程，它的发展程度决定能否抢占高科技制高点，能否最大程度的利用太空资源。毫无疑问，在我国积极开展航天技术研究迫在眉睫，然而太空环境极其恶劣，为了顺利完成航天任务，必须在地面进行充分的实验，因此国内外各航天机构都非常重视航天器在地面的实验验证。

太空环境的一个最重要的特征是微重力，然而，地面实验室为有重力环境，为了在地面再现航天器空间微重力环境中的真实运动情况，提高地面验证导航、制导与控制系统实验的置信度，需要在地面为航天器六自由度运动建立一个与空间真实状况相近的无约束微重力环境。要实现这个目标，其核心是补偿航天器在地面实验室环境中所受的重力，提供航天器三自由度平动及三自由度转动的无约束环境。现有的实现这个目标的手段有液浮法，失重法、气浮法、悬挂法。失重法常见的为抛物飞行和自由落体，此方法的缺点是时间短、占用的空间大、能够提供的空间有限并且成本高；液浮法阻尼大、维护成本高且只适合低速运动的情况，而气浮法与悬挂法系统结构相对简单，易于建立实验室中的无约束微重力环境。如专利申请号为CN201220400797的“半主动式重力补偿结构的气浮六自由度模拟卫星装置”公布了一种通过气足推力补偿模拟卫星即航天器的重力，通过气浮轴承提供航天器近似无约束的三个姿态轴转动自由度；专利申请号为CN201310466806的“一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法”公布了一种通过吊丝张力悬挂补偿航天器的重力，通过无约束连接模块提供航天器近似无约束的三个转动自由度。考虑到诸如空间交会对接等空间任务，需要航天器伸出对接机构，其结构发生变化，使得航天器整体质心发生偏移。但是上述两个专利所公布的试验系统姿态运动无约束结构部分无法适用于变结构航天器姿态机动的验证试验。

为了克服现有航天器地面试验方法在应对变结构航天器质心发生偏移时的不足，本发明提出一种适用于变结构航天器地面验证的无约束悬挂系统实现方法，可在航天器质心发生偏移对其进行自动找准，与悬挂式主动重力补偿系统结合，可为变结构航天器提供一个近似无约束六自由度运动的微重力环境，进而再现其在空间微重力环境下的真实运动，保证地面验证导航、制导与控制系统的有效性。

发明内容

本发明提出的一种可质心自动找准的无约束悬挂系统设计方法，目的是实现航天器滚动、俯仰与偏航姿态调整时不受悬挂连接装置的约束，同时保证航天器在任意姿态位置发生结构变化时，在不改变其姿态的情况下实现系统对航天器质心的自动找准，使等效悬挂点始终与航天器质心重合，不引人附加偏心转矩，确保航天器始终处于随遇平衡的状态，为变结构航天器提供一个近似无约束的三自由度姿态调整运动环境。

本发明基于悬挂点与被悬挂物体质心重合，被悬挂物体处于随遇平衡状态，物体重力不产生附加转矩，同时精密滚动轴承摩擦力小，滚动摩擦力产生的附加转矩远小于航天器姿态调整力矩，因而本发明提出的集三自由度转动随动模块、紧固模块、质心找准模块与数据采集控制模块于一体的一种可质心自动找准的无约束悬挂系统，能够很好地实现为变结构航天器提供一个近似无约束的三自由度姿态调整运动环境这一预定目标。

本发明的技术方案：

一种可质心自动找准的无约束悬挂系统包括三自由度转动随动模块、紧固模块、质心找准模块与数据采集控制模块。

所述三自由度转动随动模块可保证航天器在低摩擦力干扰下做近似无约束的俯仰、偏航、滚动运动；所述紧固模块在电机的作用下可调整悬挂系统对航天器的夹紧程度；所述质心找准模块在所述紧固模块的配合下可在航天器结构变化时完成对航天器质心的自动找准与自动夹紧，保证等效悬挂点与质心时刻重合，航天器的重力不影响其姿态调整运动；所述数据采集控制模块负责系统信号传递与协调控制，使系统各模块按系统设计工作，完成对变结构航天器的质心自动找准和无约束悬挂。