專利名稱：衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)及其模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)及其模擬方法，具體地說，是通過氣浮 平臺、氣足、高壓氣源以及中心引力模擬裝置來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌道上所受到的地球中
心引力、衛(wèi)星在軌失重狀態(tài)和衛(wèi)星在軌無摩擦運(yùn)動狀態(tài)的地面模擬；以及運(yùn)用以上 系統(tǒng)的模擬方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星工程是一項(xiàng)高風(fēng)險、高投入、高度復(fù)雜而又高精度的系統(tǒng)工程，而衛(wèi)星控 制系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺的核心，直接決定了衛(wèi)星任務(wù)成敗，因此國內(nèi)外各航天機(jī)構(gòu)都非 常重視衛(wèi)星控制系統(tǒng)的地面仿真驗(yàn)證工作，設(shè)計并建立了多種衛(wèi)星控制仿真系統(tǒng)， 在衛(wèi)星設(shè)計和研制中進(jìn)行了大量的地面仿真和試驗(yàn)，以確保衛(wèi)星在軌運(yùn)行的成功率。
衛(wèi)星控制系統(tǒng)全物理仿真是指利用衛(wèi)星運(yùn)動模擬系統(tǒng)模擬衛(wèi)星本體在軌道上 的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)特性，并將其作為控制對象，控制系統(tǒng)采用衛(wèi)星控制系統(tǒng)實(shí)物所 進(jìn)行的仿真試驗(yàn)。由于能夠以最逼真的程度模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)動與控制的實(shí)際狀態(tài)， 可以進(jìn)行控制系統(tǒng)的高置信度仿真，驗(yàn)證控制系統(tǒng)方案設(shè)計的正確性，檢驗(yàn)控制系 統(tǒng)硬件的功能和性能，是衛(wèi)星研制過程中的重要手段和方法。
衛(wèi)星軌道控制系統(tǒng)全物理仿真實(shí)現(xiàn)過程中的核心問題就要在地面上模擬衛(wèi)星 在軌失重條件下的運(yùn)動特性。目前，基于氣浮原理的軌道運(yùn)動模擬是最常用的方法， 釆用該方法的軌道運(yùn)動模擬系統(tǒng)由基于氣浮平臺、氣足及高壓氣源組成。其中高壓 氣源氣體經(jīng)過氣足的節(jié)流小孔流入氣足下端面與氣浮平臺間的間隙，形成一層氣膜 從而產(chǎn)生向上的作用力，使安裝于氣足上的衛(wèi)星模擬器懸浮起來，達(dá)到合力為零的 "失重"狀態(tài)，衛(wèi)星模擬器能夠沿氣浮平臺作2維無摩擦自由平動，達(dá)到模擬衛(wèi)星 在軌道平面內(nèi)2維軌道運(yùn)動的目的。
但實(shí)際上衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中，除了處于失重狀態(tài)，以及無干擾運(yùn)動狀態(tài)之外， 還受到地球?qū)πl(wèi)星的中心引力作用，該中心引力是衛(wèi)星繞地球運(yùn)動的原始驅(qū)動力，但利用現(xiàn)有基于氣浮平臺和氣足的衛(wèi)星軌道運(yùn)動模擬系統(tǒng)無法模擬衛(wèi)星所受地球 的中心引力，不能對衛(wèi)星軌道運(yùn)動和控制進(jìn)行有效的地面仿真驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種具有地球中心引力、衛(wèi)星在軌失重狀態(tài)和衛(wèi)星在軌無 摩擦運(yùn)動狀態(tài)模擬功能的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)，并給出利用該模擬系統(tǒng)進(jìn)行 衛(wèi)星軌道運(yùn)動的模擬方法。
本發(fā)明基于氣浮原理的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)，包括氣浮平臺、放置于該 氣浮平臺上的氣足、與該氣足相連接的高壓氣源以及中心引力模擬裝置，該中心引
力模擬裝置包括第一中心軸，垂直安裝于該氣浮平臺中間；第一磁鐵，水平安裝 于該第一中心軸上；第二中心軸，垂直安裝于該氣足上；第二磁鐵，水平安裝于該 第二中心軸上，且與第一i茲鐵磁力的合力作用線通過第一、第二中心軸的連線。
利用高壓氣源中高壓氣體在氣足下端面與氣浮平臺間產(chǎn)生氣膜來模擬衛(wèi)星在 軌失重狀態(tài)和無摩擦運(yùn)動狀態(tài)，利用中心引力模擬裝置所產(chǎn)生的磁力來模擬地球?qū)?衛(wèi)星的中心引力，由于磁力大小與距離的二次方成反比，具有同地球引力相同的力 學(xué)特性，因此利用第一、第二兩塊磁鐵間的磁力能夠有效模擬地球?qū)πl(wèi)星的中心引 力。
應(yīng)用上述衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面;f莫擬系統(tǒng)的才莫擬方法為，包括如下步驟開通高壓 氣源，在氣足與氣浮平臺間產(chǎn)生一層氣膜將安裝于氣足上的衛(wèi)星模擬器浮起，給衛(wèi) 星模擬器提供一定的運(yùn)動速度，由中心引力模擬裝置提供衛(wèi)星模擬器圓周運(yùn)動的向 心力，令衛(wèi)星模擬器在氣浮平臺上繞固定于氣浮平臺上的中心軸無摩擦自由轉(zhuǎn)動。， 從而模擬衛(wèi)星在軌道上所受到的地球中心引力、衛(wèi)星在軌失重狀態(tài)和衛(wèi)星在軌無摩 擦運(yùn)動狀態(tài)。
本方明還可以包含以下特征
1、 氣浮平臺、氣足和高壓氣源均采用非》茲性材料。
2、 該第一、第二》茲鐵通過低摩擦軸承分別安裝于第一、第二中心軸上，該第 一、第二磁鐵分別繞該第一、第二中心軸低摩擦轉(zhuǎn)動。
3、 中心引力模擬裝置所使用的第一、第二磁鐵均為馬蹄形永磁鐵，安裝時需 保證異性》茲極相對。
本發(fā)明提出了 一種衛(wèi)星軌道運(yùn)動模擬系統(tǒng)及模擬方法。能夠同時模擬衛(wèi)星在軌 道上所受到的地球中心引力、衛(wèi)星在軌失重狀態(tài)和衛(wèi)星在軌無摩擦運(yùn)動狀態(tài)，并且具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明所提出的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)組成框圖； 圖2為本發(fā)明所提出的中心引力模擬裝置俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)組成框圖，主要有以下幾部分氣浮平臺1、 低摩擦軸承2、第一中心軸3、第一磁鐵4、衛(wèi)星模擬器5、第二中心軸6、第二磁 鐵7、低摩擦軸承8、高壓氣源9、氣足IO。
圖2是中心引力模擬裝置的俯視圖，圖中包括有以下幾部分氣浮平臺1、低 摩擦軸承2、第一中心軸3、第一磁鐵4、第二中心軸6、第二磁鐵7、低摩擦軸承 8。
結(jié)合圖l和圖2,本發(fā)明的一種基于氣浮原理的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)， 包括氣浮平臺1、氣足IO、高壓氣源9以及中心引力模擬裝置。氣浮平臺l應(yīng)有足 夠高的平面度和水平度，應(yīng)有足夠大的尺寸以保證衛(wèi)星模擬器5能在氣浮平臺1 上作圓周運(yùn)動，為避免與中心引力模擬裝置中磁鐵相互影響，氣浮平臺1、氣足IO 和高壓氣源9應(yīng)選擇大理石、玻璃等非磁性材料。
氣浮平臺1上放置有氣足IO,高壓氣源9與氣足10相連接，高壓氣源9中的 高壓氣體經(jīng)過氣足10的節(jié)流小孔流入氣足10下端面與氣浮平臺1間的間隙，形成 一層氣膜從而產(chǎn)生向上的作用力，使安裝于氣足10上的衛(wèi)星模擬器5懸浮起來， 達(dá)到合力為零的"失重"狀態(tài)和無摩擦運(yùn)動狀態(tài)模擬的目的。
中心引力模擬裝置包括第一中心軸3、第二中心軸6，第一磁鐵4、第二磁鐵7 和兩個低摩擦軸承2、 8。第一中心軸3垂直安裝于氣浮平臺1中間，第一》茲《失4 通過低摩擦軸承2水平安裝于第一中心軸3上。第二中心軸6垂直安裝于氣足10 上，并盡量使第二中心軸6軸線與衛(wèi)星模擬器的重力作用線一致，第二磁鐵7通過 低摩擦軸承8水平安裝于第二中心軸6上。從圖2的俯視圖看，并保證第二》茲鐵7 與第 一磁鐵4磁力的合力作用線通過第 一 中心軸3與第二中心軸6的連線，以降低 中心引力模擬裝置的磁力產(chǎn)生繞氣浮平臺1法向的力矩，進(jìn)而減輕對衛(wèi)星模擬器5 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的影響。該第一、第二磁鐵能分別繞該第一、第二中心軸在水平面內(nèi)^f,擦自由轉(zhuǎn)動。
安裝時第一磁鐵4與第二磁鐵7需保證異性磁極相對，保持水平高度一致，并 盡量降低第一磁鐵4、第二磁鐵7離氣浮平臺1的高度，以減小磁力作用時對氣足 IO產(chǎn)生的力矩，降低對氣足10運(yùn)動的影響。
第一、第二磁鐵，可以釆用電磁鐵或永磁鐵；也可以采用條形磁鐵或馬蹄形磁 鐵等，但是綜合考慮用馬蹄形永磁鐵最佳， 一是比用電磁鐵簡單、成本低，二是馬 蹄形磁鐵的磁力約為相同參數(shù)的條形磁鐵磁力的2倍，并且馬蹄形磁鐵除與相配對 的另一塊馬蹄形磁鐵有作用外，在反方向沒有磁場，不會與周圍環(huán)境中其他磁性材 料物體相互作用。
第一磁鐵4與第二磁鐵7異性磁極相對，產(chǎn)生相互吸引的磁力，且磁力大小與 兩磁鐵間距離的二次方成反比，具有同地球引力相同的力學(xué)特性，因此利用兩塊磁 鐵間的磁力能夠有效模擬地球?qū)πl(wèi)星的中心引力。
利用衛(wèi)星軌道地面系統(tǒng)模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)動的方法為開通高壓氣源，在高壓氣 源9供氣狀態(tài)下，氣足10與氣浮平臺1之間產(chǎn)生一層氣膜，將與安裝于氣足10 上的衛(wèi)星模擬器5浮起。實(shí)驗(yàn)開始時給衛(wèi)星模擬器5提供一定的運(yùn)動速度。由中心 引力模擬裝置提供衛(wèi)星模擬器圓周運(yùn)動的向心力，在一定情況下達(dá)到動態(tài)平衡，令 衛(wèi)星模擬器5在氣浮平臺1上繞固定于氣浮平臺上的第一中心軸3無摩擦自由轉(zhuǎn) 動。從而模擬衛(wèi)星在軌道上所受到的地球中心引力、衛(wèi)星在軌失重狀態(tài)和衛(wèi)星在軌 無摩擦運(yùn)動狀態(tài)。
權(quán)利要求
1、一種基于氣浮原理的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)，其特征在于包括氣浮平臺、放置于該氣浮平臺上的氣足、與該氣足相連接的高壓氣源以及中心引力模擬裝置，該中心引力模擬裝置包括第一中心軸，垂直安裝于該氣浮平臺中間；第一磁鐵，水平安裝于該第一中心軸上；第二中心軸，垂直安裝于該氣足上；第二磁鐵，水平安裝于該第二中心軸上，且與第一磁鐵磁力的合力作用線通過第一、第二中心軸的連線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)，其特征在于該氣 浮平臺、該氣足和該高壓氣源均采用非磁性材料制成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)，其特征在于該第 一、第二磁鐵通過低摩擦軸承分別安裝于該第一、第二中心軸上，該第一、第二磁 鐵分別繞該第 一、第二中心軸在水平面內(nèi)低摩擦自由轉(zhuǎn)動。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)，其特征在于 該第一、第二磁鐵均為馬蹄形永磁鐵，安裝時異性磁極相對。
5、 一種衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬方法，該方法應(yīng)用權(quán)利要求1的衛(wèi)星軌道運(yùn) 動地面模擬系統(tǒng)來實(shí)施，其特征在于，包括如下步驟開通高壓氣源，在氣足與氣浮平臺間產(chǎn)生 一層氣膜將衛(wèi)星模擬器浮起， 給衛(wèi)星模擬器提供一定的運(yùn)動速度，由中心引力模擬裝置提供衛(wèi)星模擬器圓周運(yùn)動的向心力，令衛(wèi)星模擬器在氣浮 平臺上繞固定于氣浮平臺上的中心軸無摩擦自由轉(zhuǎn)動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于氣浮原理的衛(wèi)星軌道運(yùn)動地面模擬系統(tǒng)，包括氣浮平臺、放置于該氣浮平臺上的氣足、與該氣足相連接的高壓氣源以及中心引力模擬裝置，該中心引力模擬裝置包括第一中心軸，垂直安裝于該氣浮平臺中間；第一磁鐵，水平安裝于該第一中心軸上；第二中心軸，垂直安裝于該氣足上；第二磁鐵，水平安裝于該第二中心軸上，且與第一磁鐵磁力的合力作用線通過第一、第二中心軸的連線。應(yīng)用該系統(tǒng)的方法，包括如下步驟開通高壓氣源，在氣足與氣浮平臺間產(chǎn)生一層氣膜將衛(wèi)星模擬器浮起，給衛(wèi)星模擬器提供一定的運(yùn)動速度，由中心引力模擬裝置提供衛(wèi)星模擬器圓周運(yùn)動的向心力，令衛(wèi)星模擬器在氣浮平臺上繞固定于氣浮平臺上的中心軸無摩擦轉(zhuǎn)動。
文檔編號G01M99/00GK101551301SQ200910137349
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者孫兆偉, 張世杰, 曹喜濱, 陳寅昕 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)