一种微重力模拟装置及方法

1.本发明涉及地面微重力模拟技术领域，尤其涉及一种微重力模拟装置及方法。


背景技术：

2.为了确保空间电机系统在空间工作时的安全性和可靠性，在空间电机的研制和测试阶段，需要在地面上进行充分的模拟试验，经过几十年的发展，相继出现落塔法、抛物飞行法以及液浮法等空间微重力地面模拟试验方法。
3.现有技术中，落塔法就是通过在微重力塔中执行自由落体运动，物体在作自由落体运动时可以获得很好的微重力状态。抛物飞行法是一种利用抛物线机动飞行来创造微重力和低重力环境的方法。落塔法以及抛物飞行法的成本高、实验持续时间短，不足以充分提供地面实验依据。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种微重力模拟装置及方法，以解决现有技术中的成本高、实验持续时间短的问题。
5.第一方面，本发明提供了一种微重力模拟装置，包括：转动驱动机构、至少一个漂浮器以及至少一个用于容纳液体介质的容器，转动驱动机构具有至少一个动力输出轴，每个漂浮器设在相应的动力输出轴上，漂浮器浮于液体介质上，漂浮器的质心位于液体介质的上方，漂浮器的几何中心与漂浮器的质心之间的距离大于0。
6.与现有技术相比，本发明提供的微重力模拟装置中，转动驱动机构具有至少一个动力输出轴，每个漂浮器设在相应的动力输出轴上，而漂浮器浮在容器装有的液体介质上，漂浮器的质心位于液体介质的上方，因此，在动力输出轴的支撑力的作用下，可以保证漂浮器处在微重力状态。
7.在漂浮器处在初始阶段，漂浮器在初始位置的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线，可以保证漂浮器所受到的浮力可以模拟漂浮器所受到的微重力。而由于漂浮器的重力与动力输出轴的转动中心不在一条直线上，重力矩会抑制漂浮器的运动，因此，可以通过转动驱动机构驱动动力输出轴转动带动漂浮器至预设位置，使得漂浮器在预设位置受到的重力矩m4g
×
lsinθ与摩擦转矩tf达到平衡。这种情况下，在漂浮器在摩擦转矩tf的作用下，漂浮器在预设位置的几何中心有可能没有位于相应所述动力输出轴的中心轴线所在直线，因此，可以通过调节液体介质的物理参数，从而间接控制液体介质向漂浮器所施加的浮力，保证漂浮器在预设位置的几何中心位于相应所述动力输出轴的中心轴线所在直线。此时，漂浮器所受到的浮力可以模拟漂浮器在预设位置所受到的微重力。可见，由上述微重力模拟装置的实施过程可知，上述装置结构简单、成本低，通过调节液体介质的物理参数可以使得漂浮器的浮力产生不同的变化，漂浮器所受到的不同浮力可以模拟漂浮器在不同位置所受到的微重力，不同的浮力变化可以引起漂浮器能够长时间的模拟漂浮器在不同位置所受到的微重力。
8.第二方面，本发明提供了一种微重力模拟装置的方法，包括：
9.在漂浮器的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线的情况下，控制转动驱动机构驱动至少一个漂浮器从初始位置开始转动至预设位置；
10.若漂浮器从初始位置转动至预设位置，调节液体介质的物理参数，直到漂浮器在预设位置的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线，漂浮器在预设位置受到的重力矩与摩擦转矩达到平衡。
11.与现有技术相比，本发明提供的微重力模拟装置的方法的有益效果与本发明所述微重力模拟装置的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
13.图1示出了本发明示例性实施例的微重力模拟装置的结构图；
14.图2示出了微重力模拟装置的方法的流程示意图；
15.图3示出了本发明示例性实施例示出了漂浮器静止时的受力分析图；
16.图4示出了本发明示例性实施例示出了漂浮器初始运动状态时的受力分析图；
17.图5示出了本发明示例性实施例示出了漂浮器平衡状态时的受力分析图。
18.附图标记：
19.101-转动驱动机构，1011-电机，1012-动力输出轴，1013-转轴，102-漂浮器，1021-漂浮结构件，1021a-第一漂浮结构，1021b-第二漂浮结构，1022-轴承，103-容器，104-液体介质。
具体实施方式
20.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
21.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
22.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.为了确保空间电机系统在空间工作时的安全性和可靠性，在空间电机的研制和测试阶段，需要在地面上进行充分的模拟试验，经过几十年的发展，相继出现落塔法、抛物飞行法以及液浮法等空间微重力地面模拟试验方法。
26.现有技术中，落塔法就是通过在微重力塔中执行自由落体运动，物体在作自由落体运动时可以获得很好的微重力状态。抛物飞行法是一种利用抛物线机动飞行来创造微重力和低重力环境的方法。落塔法以及抛物飞行法的成本高、实验持续时间短，不足以充分提供地面实验依据。
27.针对上述问题，本发明示例性实施例提供一种微重力模拟装置及方法，以解决现有技术中的成本高、实验持续时间短的问题。
28.图1示出了本发明示例性实施例的微重力模拟装置的结构图。如图1所示，本发明示例性实施例提供的微重力模拟装置，包括：转动驱动机构101、至少一个漂浮器102以及至少一个用于容纳液体介质104的容器103，转动驱动机构101具有至少一个动力输出轴1012，每个漂浮器设在相应的动力输出轴1012上，漂浮器102浮于液体介质104上，漂浮器102的质心位于液体介质104的上方，漂浮器102的几何中心与漂浮器的质心之间的距离大于0。
29.当转轴1013的数量为两个，两个转轴1013的轴线重合，相应的，容器103的数量也为两个，且其形状和尺寸相同，其容纳的液体介质体积相同。
30.具体实施时，如图1所示，将本发明实施例的转动驱动机构的几何中心以及至少一个漂浮器102的几何中心调整在一条直线上，转动驱动机构101驱动动力输出轴转动，动力输出轴1012转动带动漂浮器102从初始位置开始转动，漂浮器102浮在容器103装有液体介质104上，当漂浮器102浮于液体介质上，漂浮器102的质心位于液体介质104的上方。漂浮器102转动就会使得漂浮器的质心偏转，漂浮器102的质心相对于转轴的几何中心就会发生偏转，重力矩会抑制漂浮器相对于轴承的产生的摩擦力矩，使得漂浮器随着转轴同步转动。
31.在实际应用中，在漂浮器处在初始阶段，漂浮器在初始位置的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线，可以保证漂浮器所受到的浮力可以模拟漂浮器所受到的微重力。而由于漂浮器的重力与动力输出轴的转动中心不在一条直线上，重力矩会抑制漂浮器的运动，因此，可以通过转动驱动机构驱动动力输出轴带动漂浮器从初始位置转动至预设位置，使得漂浮器在预设位置受到的重力矩m4g
×
lsinθ与摩擦转矩tf达到平衡。这种情况下，在漂浮器在摩擦转矩tf的作用下，漂浮器在预设位置的几何中心有可能没有位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线，因此，可以通过调节液体介质的物理参数，从而间接控制液体介质向漂浮器所施加的浮力，保证漂浮器在预设位置的几何中心位于相应所述动力输出轴的中心轴线所在直线。此时，漂浮器所受到的浮力可以模拟漂浮器在预设位置所受到的微重力。可见，漂浮器的微重力变化实质与摩擦转矩tf有关，而摩擦转矩tf又与转动驱动机构相关。
32.可见，由上述微重力模拟装置的实施过程可知，上述装置结构简单、成本低，通过调节液体介质的物理参数可以使得漂浮器的浮力产生不同的变化，漂浮器所受到的不同浮力可以模拟漂浮器在不同位置所受到的微重力，不同的浮力变化可以引起漂浮器能够长时
间的模拟漂浮器在不同位置所受到的微重力。
33.示例性的，本发明实施例在初始位置和预设位置，其最终目标均是每个漂浮器的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线。当微重力模拟装置静止时，漂浮器浮在液体介质上，液体介质也处在静止状态，漂浮器只受到液体介质对漂浮器产生的浮力，漂浮器自身受到的浮力抵消掉漂浮器自身的重力使得漂浮器受到的重力几乎为零。此时，漂浮器在不受其他力的作用下使得每个漂浮器的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线。
34.在一种可选方式中，至少一个漂浮器包括两个漂浮器，转动驱动机构包括电机、以及与电机的输出轴轴连的转轴。此时，可以利用电机同时驱动两个漂浮器转动。应理解，电机可以由电机定子以及电机动子组成的电磁发电机，也可以是由电能直接驱动的发电机、各类空间电机，可以根据微重力模拟装置的不同需要对电机进行调整。
35.示例性的，如图1所示，漂浮器102包括漂浮结构件1021以及设在漂浮结构件中的轴承1022，转轴1013与轴承1022连接，如图2所示，漂浮结构件1021包括第一漂浮结构1021a和第二漂浮结构1021b，第一漂浮结构1021a和第二漂浮结构1021b围成容纳所述轴承的容纳空间。
36.示例性的，第一漂浮结构的质量大于第二漂浮结构的质量，第一漂浮结构和第二漂浮结构的物理参数相同。
37.例如：当漂浮器的第一漂浮结构和第二漂浮结构两部分采用不同材料，第一漂浮结构采用的材料密度小，第二漂浮结构采用的材料密度大，且两个漂浮器的形状、体积和质量完全相同。此时，第一漂浮结构的密度大于第二漂浮结构密度，使得第一漂浮结构的质量大于第二漂浮结构的质量，且漂浮器的质心应位于几何中心o点以下的o1点处，以降低漂浮器相对于漂浮器内的轴承的周向运动几率，提高装置稳定性。
38.图2示出了微重力模拟装置的方法的流程示意图。本发明实施例还提供一种微重力模拟装置的方法，包括：
39.步骤201：在漂浮器的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线的情况下，控制转动驱动机构驱动至少一个漂浮器从初始位置开始转动至预设位置；
40.当微重力模拟装置处在初始位置时，为了保证微重力模拟装置的漂浮器受到的重力g和微重力模拟装置漂浮器受到的液体介质的浮力f
浮
相等(g≈f
浮
)时。此时，漂浮器的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线。
41.举例来说，当液体介质处在初始状态时，假设液体介质密度为ρ，两个漂浮器的总质量为m1，设在两个漂浮器内的轴承总质量为m2，转动驱动机构的质量为m3。地球上的重力加速度为g。两个漂浮器受到的浮力和为f
浮
，两个漂浮器、设在两个漂浮器内的轴承以及转轴总重力为g，漂浮器总重力g＝(m1+m2+m3)g。通过对液体介质的密度ρ进行调整，为了保证微重力模拟装置的漂浮器受到的重力g和微重力模拟装置漂浮器受到的液体介质的浮力f
浮
相等(g≈f
浮
)。
42.图3示出了本发明示例性实施例示出了漂浮器静止时的受力分析图。如图3所示，漂浮器的质心应位于几何中心o点以下的o1点处，设质心偏移几何中心的长度为l，当装置静止时，总重力g由浮力补偿，漂浮器可以浮在水面上。而由于漂浮器从初始位置开始转动时，漂浮器内的轴承与漂浮器发生相对摩擦，使得漂浮器与漂浮器内的轴承发生周向转动，
因此，当漂浮器的质心应位于几何中心o点以下的o1点处，可以减少周向转动的几率。
43.步骤202：若漂浮器从初始位置转动至预设位置，调节液体介质的物理参数，直到漂浮器在预设位置的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线，漂浮器在预设位置受到的重力矩与摩擦转矩达到平衡。应理解，由于若漂浮器从初始位置开始转动至预设位置，漂浮器的几何中心与漂浮器的质心之间的距离大于0。
44.在实际应用中，控制转动驱动机构驱动至少一个漂浮器从初始位置开始转动至预设位置，包括：控制转动驱动机构驱动与电机的输出轴轴连的转轴转动，两个漂浮器与转轴连接的漂浮器转动，漂浮器转动至预设位置。
45.图4示出了本发明示例性实施例示出了漂浮器初始运动状态时的受力分析图。如图4所示，当转动驱动机构驱动动力输出轴以ω的转速进行旋转时，动力输出轴转动带动漂浮器内的轴承转动，轴承转动会使得漂浮器与漂浮器内的轴承之间产生摩擦转矩tf，当漂浮器从初始位置转动至预设位置时，tf＝fr＝bω时，其中，f表示轴承外环与漂浮器之间的摩擦系数，b代表阻尼系数，由于转轴固定，漂浮器在tf的作用下将会绕着o点以ω的方向进行旋转，轴承外环与漂浮器之间产生的摩擦力矩tf、fr以及bω相等，可有效防止漂浮器发生周向转动。由于漂浮器浸入液体体积不变，因此漂浮器所受浮力不变。
46.图5示出了本发明示例性实施例示出了漂浮器平衡状态时的受力分析图。如图5所示，当漂浮器从初始位置转动至预设位置时，由于漂浮器重力与漂浮器的几何中心不在一条直线上，漂浮器在tf的作用下将会绕着o点以ω的方向进行旋转至o1点处，将会产生重力矩抑制漂浮器的运动，漂浮器在预设位置相对于初始位置的偏移角度为θ，重力矩与摩擦转矩tf达到平衡，即m4g
×
lsinθ＝tf，其中m4为漂浮器与轴承外环的质量。
47.举例来说，结合工程流体力学内容可知，在保证液体介质不外溢的前提条件下，通过向容器中加水或溶于水的固态介质，略微调整液体介质密度，使浮力产生大幅变化，采集微重力模拟装置的数据，使上述微重力模拟装置可以充分模拟微重力表征状态。

技术特征：
1.一种微重力模拟装置，其特征在于，包括：转动驱动机构、至少一个漂浮器以及至少一个用于容纳液体介质的容器，所述转动驱动机构具有至少一个动力输出轴，每个所述漂浮器设在相应的所述动力输出轴上，所述漂浮器浮于所述液体介质上，所述漂浮器的质心位于所述液体介质的上方，所述漂浮器的几何中心与所述漂浮器的质心之间的距离大于0。2.根据权利要求1所述的微重力模拟装置，其特征在于，所述至少一个漂浮器包括两个漂浮器，所述转动驱动机构包括电机、以及与所述电机的输出轴轴连的转轴，所述转轴与两个所述漂浮器连接。3.根据权利要求1所述的微重力模拟装置，其特征在于，所述漂浮器包括漂浮结构件以及设在所述漂浮结构件中的轴承，转轴与所述轴承连接。4.根据权利要求3所述的微重力模拟装置，其特征在于，所述漂浮结构件包括第一漂浮结构和第二漂浮结构，所述第一漂浮结构和所述第二漂浮结构围成容纳所述轴承的容纳空间。5.根据权利要求4所述的微重力模拟装置，其特征在于，所述第一漂浮结构的质量大于所述第二漂浮结构的质量。6.根据权利要求4所述的微重力模拟装置，其特征在于，所述第一漂浮结构和所述第二漂浮结构的物理参数相同。7.根据权利要求1～4任一项所述的微重力模拟装置，其特征在于，每个所述漂浮器的几何中心位于相应所述动力输出轴的中心轴线所在直线。8.一种权利要求1～7任一项所述的微重力模拟装置的方法，其特征在于，包括：在漂浮器的几何中心位于相应动力输出轴的中心轴线所在直线的情况下，控制转动驱动机构驱动至少一个漂浮器从初始位置开始转动至预设位置；若漂浮器从初始位置转动至预设位置，调节所述液体介质的物理参数，直到漂浮器在预设位置的几何中心位于相应所述动力输出轴的中心轴线所在直线，所述漂浮器在所述预设位置受到的重力矩与摩擦转矩达到平衡。9.根据权利要求8所述的微重力模拟方法，其特征在于，若漂浮器从初始位置开始转动至预设位置，所述漂浮器的几何中心与所述漂浮器的质心之间的距离大于0。10.根据权利要求8所述的微重力模拟方法，其特征在于，所述控制转动驱动机构驱动至少一个漂浮器从初始位置开始转动至预设位置，包括：控制转动驱动机构驱动与电机的输出轴轴连的转轴转动，两个所述漂浮器与转轴连接的漂浮器转动，漂浮器转动至预设位置。

技术总结
本发明公开一种微重力模拟装置及方法，涉及地面微重力模拟技术领域，以解决现有技术中的成本高、实验持续时间短的问题。微重力模拟装置包括：转动驱动机构、至少一个漂浮器以及至少一个用于容纳液体介质的容器，转动驱动机构具有至少一个动力输出轴，每个漂浮器设在相应的动力输出轴上，漂浮器浮于液体介质上，漂浮器的质心位于液体介质的上方，漂浮器的几何中心与漂浮器的质心之间的距离大于0。所述微重力模拟装置的方法用于模拟微重力。本发明提供的微重力模拟装置及方法用于微重力模拟中。供的微重力模拟装置及方法用于微重力模拟中。供的微重力模拟装置及方法用于微重力模拟中。


技术研发人员：丁晓峰 于曦 杨雁勇 杨騉 崔慧峰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/6/14