一種應(yīng)用于太空艙內(nèi)的懸浮裝置及微重力實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種懸浮裝置，包括本體和置于本體內(nèi)的電源、主控制器、傳感器、載荷電源接口、載荷通信接口和載荷空間；實驗載荷安裝在載荷空間內(nèi)，且通過載荷電源接口和載荷通信接口實現(xiàn)由電源供電及與主控制器通信；傳感器采集并將懸浮裝置信息送入主控制器處理。本發(fā)明還涉及一種微重力實驗方法，包括：將科學(xué)實驗載荷安裝在載荷空間內(nèi)；將懸浮裝置在太空艙內(nèi)利用釋放裝置以極小初速度自由釋放，在懸浮裝置呈完全失重狀態(tài)后開啟科學(xué)實驗；回收科學(xué)實驗載荷，并將懸浮裝置?？吭谕？科脚_內(nèi)進行固定和充電。本發(fā)明的懸浮裝置及微重力實驗方法充分利用艙內(nèi)的完整空間和航天員的資源，實現(xiàn)簡單，成本低，又能夠達到較高的微重力水平。
【專利說明】—種應(yīng)用于太空艙內(nèi)的懸浮裝置及微重力實驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微重力科學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于太空艙內(nèi)的懸浮裝置及微重力實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]失重狀態(tài)下進行的科學(xué)實驗有助于更好地探索物理規(guī)律和分析自然現(xiàn)象，稱之為微重力科學(xué)。微重力科學(xué)包括微重力流體物理、微重力燃燒、材料科學(xué)、生物技術(shù)和基礎(chǔ)物理等多個領(lǐng)域，孕育了很多科學(xué)的重大進展和技術(shù)的重大突破。
[0003]微重力實驗在地面主要通過自由落體設(shè)施(落塔、落井)、拋物線飛機、微重力探空火箭、高空氣球落彈艙等方式進行，時間較短，微重力水平不高。而利用空間飛行器進行微重力實驗具備長時間的微重力環(huán)境，但是實驗機會少且經(jīng)費高。近些年來，科學(xué)實驗衛(wèi)星、航天飛機、載人飛船和載人空間站都為微重力科學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了極好的機遇，并進行了非常多的空間科學(xué)實驗。
[0004]但是經(jīng)驗證明，航天器自身會受到來自大氣阻力、太陽輻射壓、以及設(shè)備(如泵，電機等)產(chǎn)生的振動、飛行器姿軌控、航天員動作等很多的擾動。這些擾動傳遞到空間科學(xué)實驗載荷上會影響到實驗現(xiàn)象的結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的可信度。航天器上的微重力水平一般在10-4-10_3g的量級，而很多微重力科學(xué)實驗如空間流體、空間材料、基礎(chǔ)物理要求在低頻段達到10_5g，甚至10_6g以下的加速度水平。微重力水平越好，可能得到的科學(xué)實驗結(jié)果就越理想。如何能有效地隔離各種擾動，為空間的科學(xué)實驗載荷創(chuàng)造更好的微重力水平，已經(jīng)成為空間應(yīng)用技術(shù)的一個重要課題。
[0005]進行微重力科學(xué)實驗具體有以下幾種方法:
[0006]I)自由落塔、落井、落管設(shè)施實驗:這是在地面進行微重力實驗的常規(guī)方法。美國、日本、德國、加拿大和中國都建有基本幾百米的落塔，可以實現(xiàn)約3s-10s的微重力實驗，微重力水平可以達到10_5g。
[0007]2)拋物線飛機實驗:飛機爬升到45度左右，關(guān)閉發(fā)動機后作拋物線飛行，可以得到低重力環(huán)境。目前美國、俄羅斯、法國都有專門的拋物線飛機，用來進行宇航員的失重訓(xùn)練和一些低重力水平的科學(xué)實驗。一次實驗可以飛20-30次，提供20-25s、約10_2g水平的實驗。
[0008]3)探空火箭實驗:火箭升空后，如果消除掉發(fā)射階段引起的火箭旋轉(zhuǎn)，就可以提供很好的微重力環(huán)境，通過降落傘收回。歐洲航天局比較重視這項技術(shù)。微重力時間一般為5min,甚至14min,理想的微重力水平可以達到l(T6g。
[0009]4)衛(wèi)星實驗:利用衛(wèi)星進行微重力實驗可以獲得完成、長時間的過程。可以達到10_5-10-6g的微重力水平。衛(wèi)星實驗又包括無人的和載人的。無人的科學(xué)實驗衛(wèi)星一般壽命較短，而在載人飛船、航天飛機、空間站上，由于有人的參與，可以進行更多類型的微重力實驗，具有更長的實驗周期和可操作性。為了更好的隔離衛(wèi)星上的實驗技術(shù)，國際上普遍采用隔振技術(shù)，可以進一步降低衛(wèi)星上的微重力水平。[0010]5)無拖曳衛(wèi)星
[0011]近年來，為了獲取更好的失重環(huán)境，用來進行重力場測量、廣義相對論驗證等科學(xué)研究，一些國家研究和發(fā)射了無拖曳衛(wèi)星。將質(zhì)量塊放在衛(wèi)星中間的真空腔內(nèi)自由釋放，控制衛(wèi)星使衛(wèi)星本體不與實驗塊碰撞，從而使質(zhì)量塊達到更好的微重力水平。預(yù)計這種衛(wèi)星可以達到10_12g以下的加速度水平，但是成本和代價也是相當(dāng)高的，目前國際上只有GP-B衛(wèi)星和GOCE衛(wèi)星。
[0012]6)艙內(nèi)懸浮隔振
[0013]利用有人參與的空間任務(wù)，將實驗載荷利用特殊的裝置在艙內(nèi)釋放，由于不受任何艙振動的影響，可以創(chuàng)造更好的微重力環(huán)境，稱之為“艙內(nèi)懸浮”的微重力實驗方法。國際上雖然沒有明確的懸浮隔振概念，但在國際空間站的很多次任務(wù)中卻進行了很多次類似的嘗試，因此也可以把它們稱為艙內(nèi)小衛(wèi)星/機器人/懸浮載荷等。典型的，有SPHERE艙內(nèi)小衛(wèi)星，PSA衛(wèi)星助手、Mini AERCam監(jiān)控機器人(可艙內(nèi)也可艙外)等。總之相應(yīng)懸浮器的共同特點是利用艙內(nèi)空間，并且可以自主推進運行，具有機器智能。這些艙內(nèi)懸浮器不是用來隔振，但是如果通過組合和改造，也可以成為懸浮隔振平臺，例如SPHERE slosh Experiment。由于不接觸艙壁，其具有非常好的減振環(huán)境。
[0014]表1為上述幾種微重力實驗方法的比較?？梢钥闯?，艙內(nèi)懸浮隔振的設(shè)備成本低和可靠操作性相對很多空間實驗都很簡單，其微重力指標(biāo)卻僅次于無拖曳衛(wèi)星，比其他的實驗方法都要好。其自由釋放模式的工作時間較短，但如果加入微釋放裝置，則可以達到幾個小時，足以進行各種實驗。
[0015]表1
[0016]
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于太空艙內(nèi)的懸浮裝置，其特征在于，包括本體和置于本體內(nèi)的電源、主控制器、傳感器、載荷電源接口、載荷通信接口和載荷空間；所述載荷空間內(nèi)安裝有科學(xué)實驗載荷；所述電源向所述主控制器供電，且通過載荷電源接口向所述科學(xué)實驗載荷供電；所述主控制器與所述科學(xué)實驗載荷通過載荷通信接口相互通信；所述傳感器連接所述主控制器，用于采集懸浮裝置信息，并將采集的信息送入主控制器進行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于，所述本體為多面體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于，所述電源為可充電電池組，其包括可充電電池和電源轉(zhuǎn)換模塊，所述可充電電池設(shè)有充電接口，用于接受外部供電，且所述可充電電池通過電源轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換為科學(xué)實驗載荷和主控制器所需的電壓，再向科學(xué)實驗載荷和主控制器供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于，所述傳感器包括位移傳感器和/或加速度傳感器，所述位移傳感器用于采集懸浮裝置的位置信息，所述加速度傳感器用于采集懸浮裝置的加速度信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于，所述本體中還安裝有微推進器和推進控制器，且所述本體外表面安裝有噴嘴，所述微推進器通過推進控制器與所述主控制器相連，且同時連接安裝在本體表面的噴嘴，用于在主控制器和推進控制器的調(diào)節(jié)下推進噴嘴進行動作，以保證懸浮裝置不與艙壁碰撞。
6.一種微重力實驗方法，采用權(quán)利要求1至5中任一所述的懸浮裝置，其特征在于，包括: 步驟I，將科學(xué)實驗載荷安裝在懸浮裝置的載荷空間內(nèi)，通過載荷電源接口由懸浮裝置為科學(xué)實驗載荷供電，通過載荷通信接口提供科學(xué)實驗載荷與懸浮裝置通信的數(shù)據(jù)通道； 步驟2，將懸浮裝置在太空艙內(nèi)以小于0.003m/s的初速度和小于0.01rad/s的角速度自由釋放，在懸浮裝置呈完全失重狀態(tài)后開啟科學(xué)實驗，并保存實驗數(shù)據(jù)； 步驟3，實驗結(jié)束后，回收科學(xué)實驗載荷，并將懸浮裝置?？吭谕？科脚_內(nèi)進行固定和充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微重力實驗方法，其特征在于，所述步驟2中采用釋放裝置來完成懸浮裝置的自由釋放，以保證將懸浮裝置在太空艙內(nèi)能以小于0.003m/s的初速度和小于0.0lrad/s的角速度自由釋放。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微重力實驗方法，其特征在于，所述釋放裝置包括懸浮器磁鐵組、釋放桿、串聯(lián)電流線圈和電位器:所述懸浮裝置上布置有懸浮器磁鐵組，且懸浮器磁鐵組中包括若干間隔分布且S極和N極交錯排列的磁鐵；所述釋放桿一端連接停靠平臺，另一端連接懸浮裝置；所述串聯(lián)電流線圈纏繞在釋放桿上，且其包括的線圈數(shù)量與懸浮器磁鐵組中包括的磁鐵數(shù)量相同，各線圈的位置與磁鐵分布位置一致，每個線圈均對應(yīng)一個磁鐵；所述電位器，其安裝在釋放桿上，且連接串聯(lián)電流線圈，用于逐漸調(diào)節(jié)串聯(lián)電流線圈上的電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微重力實驗方法，其特征在于，所述釋放桿為可伸縮桿。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一所述的微重力實驗方法，其特征在于，所述微重力實驗方法還包括:通過懸浮裝置自身的位移傳感器檢測懸浮裝置的位置信息，根據(jù)檢測到的位置信息判斷懸浮裝置是否會碰壁，若判斷碰壁，則自動停止科學(xué)實驗。
【文檔編號】G09B23/10GK103778823SQ201410034941
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】董文博, 高玉娥, 張建泉, 呂世猛, 何建華, 李宗峰, 劉偉 申請人:中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心