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增速 飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现 航天器 转动惯量和平动惯量模拟的方法

阅读：1019发布：2021-01-01

专利汇可以提供增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法，本发明增速飞轮惯量模拟器，与传统的机械式(如多片杠铃型等)机械惯量模拟器相比，通过增速飞轮惯量模拟器模拟大型航天器机械惯量的方法，具有体积小、重量轻、结构简单、工作性能稳定性好、动态响应快、费效比低的特点，可大大减小对于气浮基础平台及其附属试验设备的结构和空间方面试验环境的要求，增速飞轮惯量模拟器可直接安装于转臂关节处来模拟航天器的转动惯量，同时只需在气浮基础平台两个侧面安装增速飞轮惯量模拟器即可模拟航天器的平动惯量。，下面是增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量模拟的方法，其特征在于：所述增速飞轮惯量模拟器包括壳体(5)、输入轴(1)、安装于输入轴(1)上的增速机(2)、增速机的输出轴(3)以及安装于输出轴(3)下末端飞轮(4)，所述输出轴(3)、增速机(2)及飞轮(4)均位于壳体(5)中，所述输入轴(1)的上末端位于壳体(5)的上方之外，方法包括如下步骤
1).试验前，根据试验所要求的待模拟的在轨航天器转动惯量、地面航天器模拟件相对于电机转轴的转动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机传动比及飞轮转动惯量；
2).将地面航天器模拟件与转臂相连，转臂关节处安装有一电机，同时在转臂关节处安装增速飞轮惯量模拟器，其中电机转轴一端与增速飞轮惯量模拟器输入轴相连，另一端与转臂相连，同时，电机与增速飞轮惯量模拟器的壳体均与基座相连；
3).在转臂驱动力矩Tdrive的作用下，增速飞轮惯量模拟器输入轴通过电机转轴连同地面航天器模拟件一起转位，同时增速机将带动增速飞轮惯量模拟器的飞轮旋转，根据天地动力学相似原理，地面转位角加速度εground与天上角加速度εspace相同，设增速飞轮惯量模拟器中飞轮转动惯量JR，增速机传动比r，待模拟的在轨航天器转动惯量为Jspace，地面航天器模拟件相对于电机转轴的转动惯量为Jground，则
欲使εspace＝εground，只需
2.一种利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器平动惯量模拟的方法，其特征在于：所述增速飞轮惯量模拟器包括壳体(5)、输入轴(1)、安装于输入轴(1)上的增速机(2)、增速机的输出轴(3)以及安装于输出轴(3)下末端飞轮(4)，所述输出轴(3)、增速机(2)及飞轮(4)均位于壳体(5)中，所述输入轴(1)的上末端位于壳体(5)的上方之外，方法包括如下步骤
1).试验前，根据试验所要求的待模拟在轨航天器平动惯量、地面航天器模拟件平动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机传动比及飞轮转动惯量；
2).提供一种气浮基础平台(7)，在所述气浮基础平台(7)上漂浮有航天器仿真器(8)，所述航天器仿真器(8)通过轴承外联两根刚性仿真器导杆(9)，在所述气浮基础平台(7)的外侧壁上设置有L型导轨(11)，在所述L型导轨(11)的两根杆上分别安装有一根齿条(10)，在每根齿条(10)的一末端均设置有一固定孔，每根齿条(10)的一侧均啮合有一齿轮(12)，两个齿轮(12)分别安装于两个增速飞轮惯量模拟器的输入轴(1)上，所述航天器仿真器(8)在进行平面运动时，仿真器导杆(9)无阻尼的穿过齿条(10)的固定孔，所述齿条(10)沿L型导轨(11)自由滑动，从而带动增速飞轮惯量模拟器的输入轴转动进而带动飞轮转动；
3).将两个增速飞轮惯量模拟器分别固定在地面上，气浮基础平台固定于地面上，且保持水平，设地面航天器模拟件平动惯量为mground，待模拟在轨航天器平动惯量mspace，以x方向为例，记地面航天器模拟件x方向加速度为agroundx，待模拟在轨航天器加速度为aspacex，用于x方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量为JRx，Fdrivex为x方向驱动力，地面实验中地面航天器模拟件所需要的驱动力与在轨航天器所需要的驱动力一致，所述齿条(10)通过齿轮(12)和增速机及飞轮相连，所述齿条到飞轮的传动比为rx，该传动比rx与齿条齿轮间的传动比和增速机的增速比有关
欲使agroundx＝aspacex，只需：
同理，对y方向运动进行分析，可以得到：
其中JRy和ry分别为用于y方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量以及齿条到飞轮的传动比。

说明书全文

增速 飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天

器转动惯量和平动惯量模拟的方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法，其应用于大型航天器地面动力学物理仿真试验，属于力学、机械、控制等技术领域。背景技术：

[0002] 大型航天器如大型空间站等需要通过航天器在轨对接、转位等过程来实现，如何在地面实现全时序的地面运动学和动力学模拟，是航天器研制任务中关键和重要的必要环节。大型航天器运动具有惯量大，速度低的特点。传统的机械式(如多片杠铃型等)航天器惯量模拟器一般用于模拟旋转惯量，其旋转角速度与航天器实际转位角速度相同。为达到大型航天器转位地面模拟试验的要求，此类惯量模拟器的质量(即平动惯量)或尺寸往往非常大，不但具有较高的实施成本，而且对试验场地、设备等方面提出了苛刻要求。发明内容：

[0003] 本发明提出一种增速飞轮惯量模拟器及利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量和平动惯量模拟的方法，其能够实现大型航天器的转动惯量和平动惯量模拟，可用于航天器地面仿真的研制、验收和鉴定试验。

[0004] 本发明采用如下技术方案：一种利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量模拟的方法，所述增速飞轮惯量模拟器包括壳体、输入轴、安装于输入轴上的增速机、增速机的输出轴以及安装于输出轴下末端飞轮，所述输出轴、增速机及飞轮均位于壳体中，所述输入轴的上末端位于壳体的上方之外，方法包括如下步骤

[0005] 1).试验前，根据试验所要求的待模拟的在轨航天器转动惯量、地面航天器模拟件相对于电机转轴的转动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机传动比及飞轮转动惯量；

[0006] 2).将地面航天器模拟件与转臂相连，转臂关节处安装有一电机，同时在转臂关节处安装增速飞轮惯量模拟器，其中电机转轴一端与增速飞轮惯量模拟器输入轴相连，另一端与转臂相连，同时，电机与增速飞轮惯量模拟器的壳体均与基座相连；

[0007] 3).在转臂驱动力矩Tdrive的作用下，增速飞轮惯量模拟器输入轴通过电机转轴连同地面航天器模拟件一起转位，同时增速机将带动增速飞轮惯量模拟器的飞轮旋转，根据天地动力学相似原理，地面转位角加速度εground与天上角加速度εspace相同，设增速飞轮惯量模拟器中飞轮转动惯量JR，增速机传动比r，待模拟的在轨航天器转动惯量为Jspace，地面航天器模拟件相对于电机转轴的转动惯量为Jground，则

[0008]

[0009] 欲使εspace＝εground，只需

[0010]

[0011] 本发明采用如下技术方案：一种利用增速飞轮惯量模拟器实现航天器平动惯量模拟的方法，所述增速飞轮惯量模拟器包括壳体、输入轴、安装于输入轴上的增速机、增速机的输出轴以及安装于输出轴下末端飞轮，所述输出轴、增速机及飞轮均位于壳体中，所述输入轴的上末端位于壳体的上方之外，方法包括如下步骤

[0012] 1).试验前，根据试验所要求的待模拟在轨航天器平动惯量、地面航天器模拟件平动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机传动比及飞轮转动惯量；

[0013] 2).提供一种气浮基础平台，在所述气浮基础平台上漂浮有航天器仿真器，所述航天器仿真器通过轴承外联两根刚性仿真器导杆，在所述气浮基础平台的外侧壁上设置有L型导轨，在所述L型导轨的两根杆上分别安装有一根齿条，在每根齿条的一末端均设置有一固定孔，每根齿条的一侧均啮合有一齿轮，两个齿轮分别安装于两个增速飞轮惯量模拟器的输入轴上，所述航天器仿真器在进行平面运动时，仿真器导杆无阻尼的穿过齿条的固定孔，所述齿条沿L型导轨自由滑动，从而带动增速飞轮惯量模拟器的输入轴转动进而带动飞轮转动；

[0014] 3).将两个增速飞轮惯量模拟器分别固定在地面上，气浮基础平台固定于地面上，且保持水平，设地面航天器模拟件平动惯量为mground，待模拟在轨航天器平动惯量mspace，以x方向为例，记地面航天器模拟件x方向加速度为agroundx，待模拟在轨航天器加速度为aspacex，用于x方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量为JRx，Fdrivex为x方向驱动力，地面实验中地面航天器模拟件所需要的驱动力与在轨航天器所需要的驱动力一致，所述齿条(10)通过齿轮(12)和增速机及飞轮相连，所述齿条到飞轮的传动比为rx，该传动比rx与齿条齿轮间的传动比和增速机的增速比有关

[0015]

[0016] 欲使agroundx＝aspacex，只需：

[0017]

[0018] 同理，对y方向运动进行分析，可以得到：

[0019]

[0020] 其中JRy和ry分别为用于y方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量以及齿条到飞轮的传动比。

[0021] 本发明具有如下有益效果：与传统的机械式(如多片杠铃型等)航天器惯量模拟器相比，通过增速飞轮惯量模拟器模拟大型航天器的转动惯量和平动惯量，具有体积小、重量轻、结构简单、工作性能稳定性好、动态响应快、费效比低的特点，可大大减小对于气浮基础平台及其附属试验设备的结构和空间方面试验环境的要求，增速飞轮惯量模拟器可直接安装于转臂关节处来模拟航天器的转动惯量，同时只需在气浮基础平台两个侧面安装增速飞轮惯量模拟器即可模拟航天器的平动惯量。附图说明：

[0022] 图1为本发明增速飞轮惯量模拟器的结构示意图。

[0023] 图2为利用图1中的增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量模拟的示意图。

[0024] 图3为利用图1中的增速飞轮惯量模拟器实现航天器平动惯量模拟的示意图。

[0025] 其中：

[0026] 1-输入轴；2-增速机；3-输出轴；4-飞轮；5-壳体；6-转臂；7-气浮基础平台；8-航天器仿真器；9-仿真器导杆；10-齿条；11-L型导轨；12-齿轮。
具体实施方式：

[0027] 请参照图1所示，本发明增速飞轮惯量模拟器，其包括壳体5、输入轴1、安装于输入轴1上的增速机2、增速机的输出轴3以及安装于输出轴3下末端飞轮4，其中输出轴3、增速机2及飞轮4均位于壳体5中，输入轴1的上末端位于壳体5的上方之外。

[0028] 假设增速飞轮惯量模拟器中飞轮沿输入轴方向的转动惯量为JR、沿该方向的增速机传动比r、沿该方向的输入轴和输出轴的角加速度分别为εin和εout，沿该方向的输入轴和输出轴的扭矩分别为Tin和Tout。不计摩擦等阻尼及增速机的惯量，则

[0029] εout＝rεin,rTout＝Tin,Tout＝JRεout (1)

[0030] 故

[0031] Tin＝r2JRεin (2)

[0032] 即等效惯量为r2JR。

[0033] 请参照图1和图2所示，通过增速飞轮惯量模拟器实现航天器转动惯量模拟中，基于天地动力学相似(地面运动加速度与天上运动加速度相同)的原理，通过在转臂关节处安装增速机和飞轮来实现转动惯量的模拟，通过增速机使得飞轮旋转，进而得到相应的等效惯量。试验前，根据试验所要求的待模拟的在轨航天器转动惯量、航天器模拟件转动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机的增速比及飞轮转动惯量；将航天器模拟件与转臂相连，转臂关节处安装有一电机，同时在转臂关节处安装增速飞轮惯量模拟器，其中电机转轴一端与增速飞轮惯量模拟器输入轴相连，另一端与转臂相连，同时，电机与增速飞轮惯量模拟器的壳体均与基座(即与地面相连的固定端)相连。

[0034] 在转臂驱动力矩Tdrive的作用下，增速飞轮惯量模拟器输入轴通过电机转轴连同航天器模拟件一起转位，同时增速机将带动增速飞轮惯量模拟器的飞轮旋转，根据天地动力学相似原理，地面转位角加速度εground与天上角加速度εspace相同，设增速飞轮惯量模拟器中飞轮惯量JR，增速机传动比r，待模拟的在轨航天器转动惯量为Jspace，地面试验中航天器模拟件相对于电机转轴的转动惯量为Jground，则

[0035]

[0036] 欲使εspace＝εground，只需

[0037]

[0038] 即可以通过选择增速机的增速比和飞轮的轮速来实现转动惯量的模拟。比如，当4 2 2
Jspace-Jground＝10 kg·m时，可选择r＝100，此时JR＝1kg·m 。

[0039] 请参照图1和图3所示，通过增速飞轮惯量模拟器实现航天器平动惯量模拟中，基于天地动力学相似(地面运动加速度与天上运动加速度相同)的原理，通过在气浮基础平台7的两个侧面安装增速飞轮惯量模拟器来实现平动惯量的模拟。两种惯量模拟器的技术关键在于通过增速机使得飞轮旋转，进而得到相应的等效惯量。试验前，根据试验所要求的待模拟平动惯量、航天器模拟件平动惯量以及在轨航天器与地面航天器模拟件的几何尺寸差异，确定增速机的增速比及飞轮转动惯量。提供一种气浮基础平台7，在所述气浮基础平台7上漂浮有航天器仿真器8，航天器仿真器8通过轴承外联两根刚性仿真器导杆9，在气浮基础平台7的外侧壁上设置有L型导轨11，在L型导轨11的两根杆上分别安装有一根齿条10，在每根齿条10的一末端均设置有一固定孔，每根齿条10的一侧均啮合有一齿轮12，两个齿轮12分别安装于两个增速飞轮惯量模拟器的输入轴1上，航天器仿真器8在进行平面运动时，仿真器导杆9无阻尼的穿过齿条10的固定孔，齿条10沿L型导轨11自由滑动，从而带动增速飞轮惯量模拟器的输入轴转动进而带动飞轮转动，实现平动惯量模拟。

[0040] 将两个增速飞轮惯量模拟器分别固定在地面上，气浮基础平台固定于地面上，且保持水平，设航天器仿真器平动惯量为mground，待模拟平动惯量mspace，以x方向为例，记航天器仿真器x方向加速度为agroundx，待模拟加速度为aspacex，用于x方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量为JRx，Fdrivex为x方向驱动力，所述地面实验中航天器模拟件所需要的驱动力与在轨航天器所需要的驱动力一致，所述齿条(10)通过齿轮(12)和增速机及飞轮相连，所述齿条到飞轮的传动比为rx，该传动比rx与齿条齿轮间的传动比和增速机的增速比有关[0041]

[0042] 欲使agroundx＝aspacex，只需：

[0043]

[0044] 同理，对y方向运动进行分析，可以得到：

[0045]

[0046] 其中JRy和ry分别为用于y方向平动惯量模拟的飞轮转动惯量以及齿条到飞轮的传动比。4 2

[0047] 比如：当mspace-mground＝10 kg，选取此时的rx＝100m/rad，则JRx＝1kg·m ,同理，2
选取ry＝100m/rad，得到JRy＝1kg·m 。

[0048] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

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