一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统技术方案

一种模拟空间目标电磁‑涡流消旋的地面试验系统，包括电磁场发生装置、真空容器、旋转机构以及空间目标模拟件。空间目标模拟件设置在真空容器中，真空容器侧边设有电磁场发生装置；旋转机构包括喷气机构、风叶轮以及高精度空气轴承，空间目标模拟件通过其底部的定位锥与高精度空气轴承固定连接，喷气机构喷气带动高精度空气轴承底部中心的风叶轮，进而带动空间目标模拟件旋转，模拟真空环境中自由旋转的空间目标。电磁场发生装置由高温超导材料构成，可实现更大可控场强，伺服导轨与伺服转台可模拟与目标的相对运动状态。本实用新型专利技术可实现可控大场强电磁场生成与目标长时间自由旋转状态的有效模拟，适合开展空间目标的电磁‑涡流消旋试验验证。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统
本技术属于空间操控及其地面试验模拟
，具体涉及一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统。
技术介绍
当前包括失效卫星在内的轨道碎片占空间目标的绝大部分，不仅占据宝贵的轨道资源，而且对其他正常在轨航天器带来安全风险，需要通过近距离操控手段对其进行在轨服务或主动移除。然而，失效卫星一般处于自旋状态，并由于长期摄动影响伴有进动和章动属性，旋转速度有的高达近百度每秒。为保证后续操控任务的顺利实施，首先对失效卫星进行姿态消旋是必不可少的环节。相比机械臂、减速刷、空间绳系等接触式消旋手段，以电磁-涡流为代表的非接触消旋方法以更佳的安全性和便利性成为首选。但由于电磁-涡流的消旋作用是较微弱的(消旋力矩在几十至百mNm量级)、长时间的(数小时乃至数十小时)作用，因此在地面开展物理仿真试验时，一方面需要构建满足消旋需求的、足够大场强的可控电磁场，另一方面需要尽可能模拟出空间目标的长时间自由旋转状态以及电磁-涡流作用下的消旋制动效果。这就为地面试验系统设计带来一系列挑战。对于微摩擦平台，磁悬浮与气浮是当前应用的主要方式。但对于旋转目标的电磁-涡流消旋试验，磁悬浮的磁场作用会对电磁场产生干扰，而气浮也需要选择高精度气浮手段以避免气浮摩擦湮没电磁消旋作用，并且为了实现目标的长时间无控旋转，需要有效减小环境大气摩阻。此外，对于电磁场发生装置，传统常导线圈产生的磁场强度有限，而永磁体无法实现磁场灵活控制，因此有必要基于高温超导材料进行设计。目前针对目标消旋试验模拟以及电磁消旋力测试平台等已形成相关专利，具有一定参考意义，但均无法完全兼顾以上两方面因素，需要完整考虑电磁-涡流消旋的物理特性进行综合设计。
技术实现思路
为了解决现有试验系统与平台存在无法兼顾可控大场强电磁场生成与长时间微摩擦自由旋转状态模拟的问题，本技术提供一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统。为实现上述技术目的，本技术采用的具体技术方案如下：一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，包括电磁场发生装置、真空容器、旋转机构以及空间目标模拟件，所述空间目标模拟件设置在真空容器中，所述真空容器的侧边设置有电磁场发生装置，产生电磁场；所述旋转机构包括喷气机构、风叶轮以及高精度空气轴承，空间目标模拟件的底部设置有定位锥，定位锥与高精度空气轴承连接进而实现空间目标模拟件与高精度空气轴承的固定连接，风叶轮安装在高精度空气轴承底部中心，喷气机构设置在风叶轮的侧边且其喷气嘴对准风叶轮，喷气嘴喷气带动风叶轮转动，进而带动与高精度空气轴承固定连接的空间目标模拟件开始旋转，模拟在真空环境中自由旋转的空间目标。作为本技术的优选方案，所述电磁场发生装置包括电磁执行器、伺服转台、转台支架和伺服导轨，所述电磁执行器固定在伺服转台上，由伺服转台实现电磁执行器的旋转控制。伺服转台通过转台支架安装在伺服导轨上方，转台支架能够沿伺服导轨的导轨方向移动，进而驱动电磁执行器实现直线运动控制。作为本技术的优选方案，所述真空容器包括真空罩体和塔式多层盖板，所述真空罩体顶面由塔式多层盖板密封。进一步地，塔式多层盖板包括多层盖板与自锁紧螺栓，多层盖板呈塔式叠布，多层盖板通过中央的自锁紧螺栓紧固在一起。真空罩体底部置于安装平台上对应开设的密封槽内，其中密封槽内放置EPDM橡胶密封条。进一步地，安装平台上开设有安装高精度空气轴承的安装通孔，高精度空气轴承安装在安装平台中心。空间目标模拟件与定位锥沿轴线固连，定位锥垂直插入高精度空气轴承的锥套中，并通过锥套锁紧机构实现定位锥与高精度空气轴承之间垂直方向的固定，进一步地，所述安装平台为大理石平台，所述大理石平台上开设有抽气孔，实现对真空罩体内空间抽真空。高精度空气轴承与大理石平台之间设置有动密封泄气口，高精度空气轴承通气后，通过动密封泄气口排出空气，使空气尽可能少进入真空罩体内空间。所述安装平台位于旋转平台支架的上方，安装平台与旋转平台支架之间布设有多个水平微调块，通过多个水平微调块调整安装平台水平。作为本技术的优选方案，喷气机构的喷气嘴包括起旋左气嘴和起旋右气嘴，起旋左气嘴和起旋右气嘴连通高压气源，起旋左气嘴和起旋右气嘴平行安装在喷气支架上且分设在风叶轮的左右两侧。起旋左气嘴和起旋右气嘴对风叶轮喷气，使空间目标模拟件缓慢起旋，模拟在真空环境中自由旋转的空间目标。作为本技术的优选技术方案，还包括设置在风叶轮一侧的激光转速计，所述风叶轮的叶片上设置有黑白分度标记，激光转速计对准风叶轮叶片上的黑白分度标记，用于测量空间目标模拟件的实时转速。激光转速计可以安装在旋转平台支架上的适当位置。作为本技术的优选方案，所述电磁执行器是基于高温超导材料绕制而成的电磁线圈，并带有冷却装置用于维持超导线圈工作的低温环境，通过低电压大电流电源对其供电，能够实现同等常导(材料)线圈尺寸下生成更大的可控电磁场。作为本技术的优选方案，所述空间目标模拟件为铝合金结构，形状为圆柱壳体或球壳体。作为本技术的优选方案，所述高精度空气轴承为带空气动密封结构的高精度空气轴承，其轴向承载≥60kg，径向承载≥10kg，径向回转误差≤1.0μm，轴向回转误差≤1.0μm，同轴度≤2.0μm，供气压力0.5-0.7MPa。空气动密封结构的真空度≤100Pa。作为本技术的优选方案，所述定位锥表面圆度≤5μm，锥面全跳动≤8μm，定位锥与高精度空气轴承的锥套配合接触面≥80％，保证安装的同轴度要求。作为本技术的优选方案，所述大理石台为00级大理石平板，并通过水平微调块保证平台的水平度要求(≤0.02mm)。大理石台将空间目标模拟件与金属旋转平台支架分离绝缘，使得电磁场环境下其他金属部件对目标消旋无影响。作为本技术的优选方案，所述真空罩体与塔式多层盖板均采用透明的10mm厚PC材料制作，保证透光性要求(便于试验效果观看)与绝缘性要求(非金属导体)的同时，具有较好的韧性与强度特性，保证抽真空时真空罩形变在强度容许范围内。真空罩体放置在大理石台上的密封槽上，密封槽内放置EPDM橡胶密封条，抽真空时自然形成密闭空间。本技术所述起旋左气嘴与起旋右气嘴平行相对安装，分别对准风叶轮前后两个扇叶，喷气流量大小可精密调节。一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验方法，包括以下步骤：步骤一：将安装有高精度空气轴承的大理石台利用水平尺进行调平，安装空间目标模拟件，再利用水平尺二次调平。步骤二：轻微转动空间目标模拟件，以千分尺测量空间目标模拟件上顶部边缘跳动，保证目标旋转状态下同轴度不大于0.05mm，然后上紧锥套锁紧机构。步骤三：放置真空罩，利用真空泵抽真空，至试验设计要求的真空度为止；并在试验过程中利用真空泵不断抽真空以始终维持该真空度。步骤四：开启喷气机构，喷气嘴对准风叶轮喷气，使空间目标模拟件缓慢起旋，达到并稳定在期望转速后停止喷气。测量空间目标模拟件转速衰减变化，直至空间目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，其特征在于：包括电磁场发生装置、真空容器、旋转机构以及空间目标模拟件，所述空间目标模拟件设置在真空容器中，所述真空容器的侧边设置有电磁场发生装置，产生电磁场；所述旋转机构包括喷气机构、风叶轮以及高精度空气轴承，空间目标模拟件的底部设置有定位锥，定位锥与高精度空气轴承连接进而实现空间目标模拟件与高精度空气轴承的固定连接，风叶轮安装在高精度空气轴承底部中心，喷气机构设置在风叶轮的侧边且其喷气嘴对准风叶轮，喷气嘴喷气带动风叶轮转动，进而带动与高精度空气轴承固定连接的空间目标模拟件开始旋转，模拟在真空环境中自由旋转的空间目标。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，其特征在于：包括电磁场发生装置、真空容器、旋转机构以及空间目标模拟件，所述空间目标模拟件设置在真空容器中，所述真空容器的侧边设置有电磁场发生装置，产生电磁场；所述旋转机构包括喷气机构、风叶轮以及高精度空气轴承，空间目标模拟件的底部设置有定位锥，定位锥与高精度空气轴承连接进而实现空间目标模拟件与高精度空气轴承的固定连接，风叶轮安装在高精度空气轴承底部中心，喷气机构设置在风叶轮的侧边且其喷气嘴对准风叶轮，喷气嘴喷气带动风叶轮转动，进而带动与高精度空气轴承固定连接的空间目标模拟件开始旋转，模拟在真空环境中自由旋转的空间目标。


2.根据权利要求1所述的模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，其特征在于：所述电磁场发生装置包括电磁执行器、伺服转台、转台支架和伺服导轨，所述电磁执行器固定在伺服转台上，由伺服转台实现电磁执行器的旋转控制；伺服转台通过转台支架安装在伺服导轨上方，转台支架能够沿伺服导轨的导轨方向移动，进而驱动电磁执行器实现直线运动控制。


3.根据权利要求2所述的模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，其特征在于：所述电磁执行器是基于高温超导材料绕制而成的电磁线圈。


4.根据权利要求1所述的模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，其特征在于：所述真空容器包括真空罩体和塔式多层盖板，所述真空罩体顶面由塔式多层盖板密封。


5.根据权利要求4所述的模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，其特征在于：塔式多层盖板包括多层盖板与自锁紧螺栓，多层盖板呈塔式叠布，多层盖板通过中央的自锁紧螺栓紧固在一起；真空罩体...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄涣，杨乐平，张元文，蔡伟伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：新型
国别省市：湖南;43