阅读说明：本技术 一种基于电磁弹射的微重力模拟装置及方法 (Microgravity simulation device and method based on electromagnetic ejection ) 是由 李洪银 肖春雨 周泽兵 吴书朝 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微重力测试技术领域,公开了一种基于电磁弹射的微重力模拟装置及方法,微重力模拟装置包括：落仓,导轨,托盘,直线电机和控制模块；导轨用于约束托盘的运动并为直线电机提供安装位置；托盘用于为落仓提供支持力以实现落仓在弹射时加速和回收时减速；直线电机用于产生电磁力并在电磁弹射阶段推动托盘带动落仓加速,并推动落仓和托盘一同运动,在无拖曳控制阶段只推动所述托盘运动；落仓为待测仪器提供真空环境,并屏蔽托盘上永磁体和直线电机引入的磁场干扰。本发明采用电磁弹射的方式可以避免气动装置造成的真空度减弱的影响；同时还能够使单次微重力试验的有效时间翻倍；采用直线电机控制回收阶段可避免下落时的冲击损坏。(The invention relates to the technical field of microgravity test, and discloses a microgravity simulation device and a microgravity simulation method based on electromagnetic ejection, wherein the microgravity simulation device comprises: the device comprises a bin, a guide rail, a tray, a linear motor and a control module; the guide rail is used for restricting the movement of the tray and providing a mounting position for the linear motor; the tray is used for providing a supporting force for the falling bin so as to realize acceleration of the falling bin during ejection and deceleration during recovery; the linear motor is used for generating electromagnetic force, pushing the tray to drive the falling bin to accelerate in the electromagnetic ejection stage, pushing the falling bin to move together with the tray, and only pushing the tray to move in the non-dragging control stage; the falling bin provides a vacuum environment for the instrument to be tested and shields magnetic field interference introduced by the permanent magnet on the tray and the linear motor. The electromagnetic ejection mode is adopted, so that the influence of weakening of vacuum degree caused by a pneumatic device can be avoided; meanwhile, the effective time of a single microgravity test can be doubled; the linear motor is adopted to control the recovery stage, so that impact damage during falling can be avoided.)

一种基于电磁弹射的微重力模拟装置及方法

技术领域

本发明属于微重力测试技术领域，更具体地，涉及一种基于电磁弹射的微重力模拟装置及方法。

背景技术

对于星载的各种高精度科学仪器，为了在使用之前对仪器各项性能进行测试，需要在地面进行微重力实验。常见的微重力实验以自由落体为基础，以自由下落的舱体为参考系，内部相对处于微重力环境，可以用来对仪器在微重力下的性能进行评测。为了给实验提供相对稳定的下落环境，通常在具有一定高度的落塔中进行实验。落塔的主要思路是将落仓通过某种手段提升到高处，经特定装置控制落仓的释放，在下落过程中完成微重力实验。

单程下落式落塔的下落时间较短，延长时间需要建造更高的落塔，而这会大大增加建设成本，效益不高。采用弹射的方法可以将实验的时间翻倍，在国外有使用气动力来进行弹射的方式，驱动系统一般比较复杂，需要较高的气体压力，同时系统不容易维护，每天的可工作次数比较少，并且气动弹射后的残留气体和真空系统无法比较好的兼容。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电磁弹射的微重力模拟装置，旨在解决现有装置效率较低且不能合理回收微重力试验装置的问题。

本发明提供了一种基于电磁弹射的微重力模拟装置，包括：落仓，导轨，托盘，直线电机和控制模块；导轨用于约束托盘的运动，并为直线电机提供安装位置；托盘用于为落仓提供支持力以实现落仓在弹射时加速和回收时减速；直线电机用于产生电磁力并在电磁弹射阶段推动托盘带动落仓加速，并推动落仓和托盘一同运动，在无拖曳控制阶段，只推动托盘运动；落仓用于装载待测仪器，为待测仪器提供真空环境，并屏蔽托盘上永磁体和直线电机引入的磁场干扰；控制模块用于根据托盘与地面之间的距离和托盘与落仓之间的距离计算控制信号并驱动直线电机产生电磁力。

更进一步地，直线电机中设置有多匝线圈，且在弹射阶段直线电机的线圈排列得紧密些，在无拖曳控制阶段所述直线电机的线圈排列得稀疏些。

更进一步地，在托盘两侧设置有多个永磁体，且相邻的永磁体反向布置。

更进一步地，托盘通过卡口与所述导轨连接。

更进一步地，在托盘上设置有位置传感器，位置传感器用于检测托盘与地面、托盘与落仓之间的距离。

更进一步地，工作时，在弹射阶段，落仓的加速度大于重力加速度，用于检测加速度计未工作时保护装置的可靠性；在无拖曳控制阶段，当所述托盘与落仓分离，落仓内部处于微重力环境，残余加速度能够被加速度计测量，用于检测加速度计工作时各项性能；在自由落体阶段，当落仓下落至与托盘接触时开始减速，落仓的加速度逐渐超过加速度计量程时启用保护装置，用于检测保护装置启动的响应时间是否在安全时间内。

更进一步地，在电磁弹射阶段产生的电磁力F＝IBL，其中，L为直线电机的线圈在磁场中的长度，I为通入电流，B为托盘上永磁体构成的磁场具有的磁感应强度。

更进一步地，微重力模拟装置还包括真空腔，用于为模拟装置提供真空环境，且落仓提供的真空环境的真空度高于真空腔的真空度。

本发明提供的上述微重力模拟装置采用了电磁弹射机构，与现有技术相比具有如下优势：

(1)电磁弹射为实验装置提供了初速度，装置各部件的重力使其以相同的加速度进行减速，使得部件之间的支持力几乎为零，表现为微重力状态。因此落仓在上升阶段也可以为实验装置提供微重力环境，与现有落塔中仅利用下降段产生微重力环境且相同高度时相比，本发明能够提供多一倍的实验时间，从而提高了装置的工作效率。

(2)采用电磁弹射，可以通过调整电磁力大小实现不同的弹射加速度，以适应不同重量的实验装置；与机械弹射相比可以精细化施加的推力曲线，以免产生过大冲击损坏实验仪器，可以合理回收微重力试验装置；且与气动装置相比可以避免释放多余的气体以影响真空腔内部的真空环境。

(3)本发明导轨上有无拖曳控制段，利用托盘上的距离传感器检测托盘与落仓的距离，以落仓为惯性参考，可以通过无拖曳控制段的直线电机控制托盘与落仓之间的距离以对无拖曳控制算法进行部分验证。

(4)在落仓下降阶段利用无拖曳控制段控制托盘接住落仓，可实现落仓的无损回收，与现有技术相比，避免回收时加速度过大导致实验装置损坏。

(5)本装置由电力驱动，与现有技术相比，微重力实验的准备时间更短，更便于重复进行多次实验。

本发明还提供了一种基于上述的微重力模拟装置的微重力模拟方法，包括下述步骤：

S1：通过对直线电机加载电流并产生电磁力，所述电磁力驱动托盘带动所述落仓一起加速运动直至弹射阶段结束；

S2：当弹射阶段结束后，托盘减速并与落仓分离，进入无拖曳控制阶段，此时以落仓为参考系，落仓内待测器件的相对加速度趋近于零，为微重力实验提供了微重力环境；

S3：当所述落仓下落至与所述托盘接触时，落仓减速并进入自由落体阶段，通过实时监测托盘与地面之间的距离来控制托盘减速以避免回收时加速度过大导致实验装置损坏。

更进一步地，在步骤S2中，还包括：通过实时监测托盘与落仓之间的距离来控制托盘与落仓之间保持恒定距离。

本发明实施例提供的微重力模拟方法中，通过对直线电机施加电流并产生电磁力，电磁力驱动托盘带动落仓一起加速运动直至弹射阶段结束，在这个阶段可以检测加速度计未工作时保护装置的可靠性。当托盘与落仓分离时进入无拖曳控制阶段，落仓内部处于微重力环境，残余加速度能够被加速度计测量，在这个阶段可检测加速度计工作时各项性能。当落仓下落至与托盘接触时开始减速并进入自由落体阶段，落仓的加速度逐渐超过加速度计量程时启用保护装置，在这个阶段可检测保护装置启动的响应时间是否在安全时间内。

附图说明

图1是本发明提供的基于电磁弹射的微重力模拟装置的结构示意图；

图2是本发明提供的基于电磁弹射的微重力模拟装置中托盘的细部构造示意图；

图3是本发明提供的基于电磁弹射的微重力模拟装置中托盘与导轨连接的俯视图；

图4是本发明提供的基于电磁弹射的微重力模拟装置实现微重力模拟方法的工作流程图。

其中，1为微重力模拟装置，2为待测仪器，3为距离传感器，4为永磁体，11为落仓，12为导轨，13为托盘，14为直线电机，15为控制模块(图中未示出)，16为真空腔，17为内部框架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及地面自由落体实验、地面微重力实验、电磁弹射应用、无拖曳控制实验，属于物理实验与仪器领域。

本发明致力于地面的微重力实验，地面微重力实验落塔设备的舱体有两种方式进行发射，一种是利用卷扬机将舱体提升到高处后从高处自由释放，另外一种方式是从地面向上弹射，这种方式在舱体上升阶段也处于微重力状态，使微重力实验可以利用的时间翻倍。本发明致力于使用电磁力来对自由落体的实验中的舱体进行弹射，电磁力可以提供较大的加速度，同时加速度的控制也会比较准确、平滑，有利于对不同质量的舱体进行灵活的弹射，还可以控制弹射过程中的加速度的最大值。

图1示出了本发明提供的基于电磁弹射的微重力模拟装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

基于电磁弹射的微重力模拟装置1包括：落仓11，导轨12，托盘13，直线电机14和控制模块15；落仓11用于装载待测仪器，为仪器提供相对外部真空腔更高真空度的内部环境，同时屏蔽托盘上永磁体和直线电机引入的磁场干扰；导轨12用于约束托盘的运动，并为直线电机提供安装位置；托盘13用于为落仓提供支持力以实现落仓在弹射时加速和回收时减速；直线电机14用于产生电磁力控制托盘的运动；控制模块15用于计算控制信号以驱动直线电机产生电磁力。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用了电磁弹射，避免了气动装置造成的真空度减弱的影响；同时由于采用弹射的方式，能够使单次微重力试验的有效时间翻倍；采用直线电机控制回收阶段，可以避免装置下落时的冲击损坏被测装置。

本发明利用电磁感应原理，通过对直线电机14施加特定的电流来产生电磁力，从而使得托盘13连同落仓11向上加速。电磁力的大小可根据实验对弹射过程加速度的需求依据电磁力公式F＝IBL设计，进一步依直线电机14的执行机灵敏度计算应当施加的电流大小，但不应当超出直线电机14的使用量程。弹射阶段结束后，直到落仓11下落再次与托盘13接触，这期间都只受到重力作用，以落仓11为参考系，内部待测器件的相对加速度趋近于零，可以进行各种微重力实验。

本发明提供的微重力模拟装置可以用于加速度计的各项性能测试，在弹射阶段，落仓11的加速度大于一个重力加速度，类似于火箭发射阶段的重力环境，该阶段可考察高精度加速度计未处于工作状态时保护装置的可靠性；当托盘13与落仓11分离，落仓11内部处于微重力环境，残余加速度能够被加速度计测量，可以考察加速度计正常工作模式时的各项性能；下落到与托盘13接触开始减速，落仓11加速度将逐渐超过加速度计量程，应当启用保护装置，利用该实验可以考察保护装置启动的响应时间是否在安全时间之内。

本发明提供的微重力模拟装置可以用于测试无拖曳控制算法的有效性，具体地，托盘13在一定范围内可以上下运动，且托盘13的运动受控制模块15所驱动的直线电机14控制。在电磁弹射阶段结束且落仓11与托盘13分离后，若以托盘13和落仓11的间距作为信号输入来控制两者间距恒定，可以模拟对飞船单自由度方向的无拖曳控制，托盘13与落仓11的间距变化值作为无拖曳控制的残余位移扰动，可用于评测无拖曳控制控制算法的有效性。

本发明提供的微重力模拟装置还可以用以进行其他微重力实验，在相同落塔高度的情况下能够提供相比于一般落塔两倍的实验时间。同时，对托盘可进行各种控制，可以在单自由度上模拟在轨期间卫星环境的变动。

本发明中，可以将整个装置小型化，单次操作时间和自由落体的时间是同一个量级，从而具有较高的效率。

为了更进一步的说明本发明提供的微重力模拟装置的结构和工作模式，现结合附图1、图2、图3和图4及具体实施例对本发明进行详细说明如下：

基于电磁弹射的微重力模拟装置包括：落仓11，导轨12，托盘13，直线电机14，控制模块15(图中未示出)；落仓11放置在托盘13上；托盘钳位在导轨12；直线电机14安装于导轨12外侧；控制模块15可置于落塔外部，其输出与直线电机14连接。

其中，直线电机14在弹射阶段所述线圈排列得紧密些，在无拖曳控制阶段所述线圈排列得稀疏些。

线圈用于在电磁弹射阶段产生电磁力并推动托盘13带动落仓11加速；弹射阶段的直线电机需要推动落仓11和托盘13一同运动，故线圈较密集；而在无拖曳控制阶段，直线电机14只需要推动托盘13，线圈可以较为疏松。

在托盘13两侧安装有多个永磁体，相邻的永磁体反向布置，与导轨12上的直线电机14构成电磁弹射机构；该电磁弹射机构利用通电线圈在磁场中受力的特性，托盘将受到向上的力F＝IBL，其中，L为导轨12上直线电机14的线圈在磁场中的长度，I为通入电流，B为托盘13上永磁体构成的磁场具有的磁感应强度。

托盘13通过卡口与导轨12连接，避免托盘13在运动过程中与轨道脱离；托盘13上安装有位置传感器，用来检测托盘13与地面、托盘13与落仓11之间的距离，前者用来控制托盘13的下落以免与地面发生剧烈碰撞，后者可以用于托盘13的无拖曳控制。

落仓11内部应提供良好的实验环境，落仓11内为真空且电磁屏蔽性能好，如果落仓11在运行过程中姿态变化超过微重力实验对姿态的需求，可以在落仓内安装陀螺仪以维持自由落体阶段的姿态。

本发明的控制流程如图4所示，利用该装置进行微重力实验时，首先将待测试的仪器置于落仓11内，并将落仓11稳定放置于托盘13。在控制模块中输入设备的质量、允许加速度，由计算机依据F＝IBL计算所需要的用于弹射的加速度信号，输入给控制器并由其输出的控制信号启动直线电机开始弹射。托盘13在经弹射后，利用距离传感器监测托盘13与落仓11的距离，该信号用以控制托盘13在回收阶段对落仓11进行减速，在无拖曳实验中也可以利用该信号对托盘进行控制。

弹射阶段过后，通过无拖曳控制段的直线电机14对托盘13按一定的算法控制，该算法应当使托盘13达到以下效果：第一，对托盘13与落仓11的距离进行监测，避免在微重力实验期间与落仓11发生碰撞影响实验；第二，通过监测托盘13与舱体的距离，可以进一步评估舱体与托盘13的相对速度，良好的控制应当使得落仓11进入回收阶段时，托盘13与舱体正好接触且速度相同，之后再通过电磁力控制托盘13减速，减速的力由小变大，从而可以避免舱体在回收时出现剧烈碰撞而损坏仪器或舱体；第三，监测托盘13与地面的距离以免与地面发生剧烈碰撞。

电磁弹射装置具有弹射、回收双重作用，而且电磁感应对舱体的速度敏感，可以用来监测回收阶段舱体的速度并用于辅助控制回收力。

本发明提供的微重力模拟装置采用了电磁弹射机构，与现有技术相比具有如下优势：

(1)弹射为实验装置提供了初速度，装置各部件的重力使其以相同的加速度进行减速，使得部件之间的支持力几乎为零，表现为微重力状态。因此落仓在上升阶段也可以为实验装置提供微重力环境，与现有落塔中仅利用下降段产生微重力环境相比，相同高度的现有装置多提供了一倍实验时间。

(2)采用电磁弹射，可以通过调整电磁力大小实现不同的弹射加速度，以适应不同重量的实验装置；与机械弹射相比可以精细化施加的推力曲线，以免产生过大冲击损坏实验仪器；与气动装置相比可以避免释放多余的气体以影响真空腔内部的真空环境。

(3)本发明导轨上有无拖曳控制段，利用托盘上的距离传感器检测托盘与落仓的距离，以落仓为惯性参考，可以通过无拖曳控制段的直线电机控制托盘与落仓之间的距离以对无拖曳控制算法进行部分验证。

(4)在落仓下降阶段利用无拖曳控制段控制托盘接住落仓，可实现落仓的无损回收，与现有技术相比，避免回收时加速度过大导致实验装置损坏。

(5)本装置由电力驱动，与现有技术相比，微重力实验的准备时间更短，更便于重复进行多次实验。

本发明实施例还提供了一种基于电磁弹射的微重力模拟装置的微重力模拟方法，如图4所示，具体包括下述步骤：

(1)通过对直线电机加载电流并产生电磁力；

(2)直线电机产生的电磁力驱动托盘和落仓一起加速运动；

(3)当托盘和落仓一起加速至弹射阶段结束时，托盘减速并与落仓分离；

(4)通过距离传感器监测托盘与落仓之间的距离；

(5)通过控制器驱动直线电机并实时控制托盘与落仓保持恒定距离；

(6)判断落仓是否处于上升阶段，若是，则返回至步骤(4)；若否，则进入步骤(7)；

(7)通过距离传感器监测托盘与落仓之间的距离；

(8)通过控制器驱动直线电机并控制托盘接触落仓；

(9)当落仓下落至与托盘接触时，落仓减速并进入自由落体阶段，通过距离传感器监测托盘与地面之间的距离；

(10)通过控制器驱动直线电机并控制托盘减速直至结束。

本发明实施例提供的微重力模拟方法中，通过对直线电机施加电流并产生电磁力，电磁力驱动托盘带动落仓一起加速运动直至弹射阶段结束，在这个阶段可以检测加速度计未工作时保护装置的可靠性。当托盘与落仓分离时进入无拖曳控制阶段，落仓内部处于微重力环境，残余加速度能够被加速度计测量，在这个阶段可检测加速度计工作时各项性能。当落仓下落至与托盘接触时开始减速并进入自由落体阶段，落仓的加速度逐渐超过加速度计量程时启用保护装置，在这个阶段可检测保护装置启动的响应时间是否在安全时间内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。