一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，包括支撑通轴磁矩生成装置，姿态控制模块，支撑通轴位于双轴承装置顶部的轴身上同轴转动安装有第一目标投送组件和第二目标投送组件，第一目标投送组件和第二目标投送组件均用于投送目标的安装和释放，其投送方法为，磁矩生成装置被配置成通入工作电流后在地磁场作用下受到磁力矩作用开始转动；双轴承装置用于提供支撑通轴的随动状态；第一目标投送组件和第二目标投送组件被配置成接收磁矩生成装置的开始转动的信号后以支撑通轴为转动轴进行对向转动，并在投送目标处的线速度到达系统设定的线速度时，投送目标被释放，实现了在微重力环境下的地磁储能释能投送系统的原理验证。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统与方法
本专利技术涉及物料码垛分离
，具体涉及一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统与方法。
技术介绍
直径10cm大小的空间碎片可给航天器和宇航员带来严重威胁，哈勃望远镜、航天飞机以及国际空间站均受到过空间碎片的撞击。随着人类空间活动的日益活跃，同时考虑到碰撞级联效应(Kessler效应)，空间碎片的数量迅速增加，对空间活动造成威胁的概率快速增加。如果不能主动地有效清除现有空间碎片，或减缓空间碎片增加速度，未来将严重影响人类的空间开发进程。目前在轨的近20000余个尺度大于10cm的空间碎片，有近70％分布在高度500km～1000km不同倾角的低地球轨道上，这些碎片如仅靠自身的大气阻力衰减轨道高度，在数十年内都无法进入地球大气层。相比于地球同步轨道(高度36000km，轨道唯一，资源稀缺)，低轨空间碎片分布散、数量多兼具高威胁和低价值特点，尽管可以主动清除，但清除低轨道太空碎片的效率性和经济性问题却难以解决。现有问题：主动降低空间碎片的轨道高度是清除空间碎片的较优方式，将其轨道的近地点高度降低至200km以下，受地球大气阻力的影响，它的轨道半长轴迅速减小并最终坠入大气层烧毁。目前提出的各种空间碎片主动清除方法中，使用化学/电推力的主动拖拽离轨方法最为成熟，但耗费极高；在碎片上安装气囊阻力帆/涂抹泡沫等增加面质比的被动降轨方式，虽然省去了离轨推进工质消耗，但需要消耗安装材料，且碎片降轨所需的时间也数以年计，这无疑极大增加了二次碰撞的概率。此外，各国均积极的发展无工质消耗型碎片清除方法，一些方法虽然设想很好，但难以实现，比如使用地面/天基高能激光清理碎片，其基本原理是通过高能激光灼烧，使灼烧产物急剧膨胀离开碎片，碎片获得反冲量而降轨，这种方法虽有理论实现的可能性，但如何产生预期的反冲量，如何有效灼烧而非破坏产生新的碎片群等问题均难以解决，因此目前只能用于清除直径10cm以下的微碎片。在无工质消耗型变轨/离轨方法中，空间电动绳系是目前认为可行性和可实现性最高的一种方式。电动绳系通过收集空间的带电粒子，在低轨空间的地球磁场中通过通电绳所受到的安培力进行轨道调整，仅有电力消耗，没有工质消耗。然而，空间电动绳系效能依赖于绳系尺度，数千米至数十千米的巨大尺度使绳系系统在空间稳定运行的可靠性问题非常突出。尽管有多个理论研究和空间试验表明绳系系统具有相当的安全系数，但是也有惨痛经历，美国的SED-2(1994年发射，绳系展开19.7km)绳系在轨展开仅4天便被空间碎片/微流星切断，说明绳系的空间安全问题还需要慎重和细致地考虑和设计。因此，现有无工质消耗型空间碎片主动清除方法均是原理可行，但都存在各自的技术问题。而，由于地磁场能可无限获取，采用简单、空间尺度小的储能投送机构，可实现地磁场能的获取和储存，实现碎片快速离轨，理论可行且技术可实现(例如：专利申请号为CN201910774236.3的一种地磁蓄能低轨道空间碎片离轨投送轨姿耦合调整方法)，但在现有的理论技术手段中为实现投送目标的储能和线速度之间的理论关系、储能投送系统姿态动力学特性缺乏具体的验证过程，限制了他们的发展与实际在轨应用。综上，克服地面空气阻力获取理论无上限的线速度、同时演示储能投送系统姿态动力学特性是现有的地面实验验证系统要突破的难点，因此研究解决该难点的地磁储能-释能投送地面系统与方法对于推动该离轨方法的进一步发展至关重要，而现有的验证系统中，系统的转动惯量大多固定，而对于在进行时刻变化的地磁场作用时的空间环境重力工装下，则现有的验证系统无法适用和进行验证实验。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统与方法，以解决现有技术中系统的转动惯量大多固定，而对于在进行时刻变化的地磁场作用时的空间环境重力工装下，则现有的验证系统无法适用的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术具体提供下述技术方案：一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，包括：支撑通轴，通过双轴承装置竖直安装在实验场地的固定平台上，且在竖直安装的初始状态时被配置成与实验场地的水平面法线平行；磁矩生成装置，与所述双轴承装置内部的所述支撑通轴的轴身连接，所述磁矩生成装置被配置成通入工作电流后在地磁场作用下受到磁力矩作用开始转动；所述支撑通轴位于所述双轴承装置顶部的轴身上同轴转动安装有第一目标投送组件和第二目标投送组件，所述第一目标投送组件和第二目标投送组件均用于投送目标的安装和释放；姿态控制模块，用于调节所述磁矩生成装置的姿态角，并产生控制所述第一目标投送组件和第二目标投送组件的输出力矩和方向的控制参量；其中，所述双轴承装置用于提供所述姿态控制模块在调节磁矩生成装置的姿态角时的所述支撑通轴的随动状态；所述第一目标投送组件和第二目标投送组件被配置成接收磁矩生成装置的开始转动的信号后以所述支撑通轴为转动轴进行对向转动，并在所述投送目标处的线速度到达系统设定的线速度时，所述第一目标投送组件或第二目标投送组件进行所述投送目标的释放。作为本专利技术的一种优选方案，所述双轴承装置包括套装在所述支撑通轴的轴身上的第二空气轴承和安装在所述支撑通轴底部的第一空气轴承，以及用于连接第一空气轴承和第二空气轴承的多个轴承连接架，且所述支撑通轴与第一空气轴承和第二空气轴承的的内圈固定连接。作为本专利技术的一种优选方案，其中，多个所述轴承连接架均匀分布在所述支撑通轴的周向上，多个所述轴承连接架用于保持所述第一空气轴承和所述第二空气轴承在转动时形成的惯量主轴与所述支撑通轴共线；所述第一空气轴承通过盘形轴承座安装在所述实验场地的固定平台上，所述第二空气轴承通过窝状轴承座安装在实验场地的固定平台上，且所述第二空气轴承被配置成与所述窝状轴承座之间能够产生相对的万向转动，来实现所述支撑通轴在轴向上的转动自由度；所述磁矩生成装置位于所述第一空气轴承和所述第二空气轴承之间的所述支撑通轴的轴身上。作为本专利技术的一种优选方案，所述系统中的磁矩生成装置、所述第一目标投送组件和第二目标投送组件在转动时形成的惯量轴与所述支撑通轴的轴线共线。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一目标投送组件和所述第二目标投送组件均包括通过动量交换结构安装在所述支撑通轴上的投送连接结构，所述投送目标安装在所述投送连接结构的端部；其中，所述第一目标投送组件的动量交换结构和所述第二目标投送组件的动量交换结构在接收磁矩生成装置的开始转动的信号后驱动对应所述投送连接结构以所述支撑通轴为转动轴转动。作为本专利技术的一种优选方案，还包括供电配电模块、释放投送主动控制模块、动量交换主动控制模块、投送目标速度检测模块和地磁场强度测量模块；所述供电配电模块，用于为空气轴承、动量交换结构、磁矩生成装置供电、释放投送主动控制模块、动量交换主动控制模块、投送目标速度检测模块和地磁场强度测量模块供电；所述动量交换主动控制模块，用于根据所述姿态控制模块的监测数据控制所述动量交换结构的输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，其特征在于，包括：/n支撑通轴(S0)，通过双轴承装置竖直安装在实验场地的固定平台上，且在竖直安装的初始状态时被配置成与实验场地的水平面法线平行；/n磁矩生成装置(L0)，与所述双轴承装置内部的所述支撑通轴(S0)的轴身连接，所述磁矩生成装置(L0)被配置成通入工作电流后在地磁场作用下受到磁力矩作用开始转动；/n所述支撑通轴(S0)位于所述双轴承装置顶部的轴身上同轴转动安装有第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)，所述第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)均用于投送目标的安装和释放；/n姿态控制模块，用于调节所述磁矩生成装置(L0)的姿态角，并产生控制所述第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)的输出力矩和方向的控制参量；/n其中，所述双轴承装置用于提供所述姿态控制模块在调节磁矩生成装置(L0)的姿态角时的所述支撑通轴(S0)的随动状态；/n所述第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)被配置成接收磁矩生成装置(L0)的开始转动的信号后以所述支撑通轴(S0)为转动轴进行对向转动，并在所述投送目标处的线速度到达系统设定的线速度时，所述第一目标投送组件(A0)或第二目标投送组件(A1)进行所述投送目标的释放。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，其特征在于，包括：
支撑通轴(S0)，通过双轴承装置竖直安装在实验场地的固定平台上，且在竖直安装的初始状态时被配置成与实验场地的水平面法线平行；
磁矩生成装置(L0)，与所述双轴承装置内部的所述支撑通轴(S0)的轴身连接，所述磁矩生成装置(L0)被配置成通入工作电流后在地磁场作用下受到磁力矩作用开始转动；
所述支撑通轴(S0)位于所述双轴承装置顶部的轴身上同轴转动安装有第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)，所述第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)均用于投送目标的安装和释放；
姿态控制模块，用于调节所述磁矩生成装置(L0)的姿态角，并产生控制所述第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)的输出力矩和方向的控制参量；
其中，所述双轴承装置用于提供所述姿态控制模块在调节磁矩生成装置(L0)的姿态角时的所述支撑通轴(S0)的随动状态；
所述第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)被配置成接收磁矩生成装置(L0)的开始转动的信号后以所述支撑通轴(S0)为转动轴进行对向转动，并在所述投送目标处的线速度到达系统设定的线速度时，所述第一目标投送组件(A0)或第二目标投送组件(A1)进行所述投送目标的释放。


2.根据权利要求1所述的一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，其特征在于，所述双轴承装置包括套装在所述支撑通轴(S0)的轴身上的第二空气轴承(B2)和安装在所述支撑通轴(S0)底部的第一空气轴承(B1)，以及用于连接第一空气轴承(B1)和第二空气轴承(B2)的多个轴承连接架，且所述支撑通轴(S0)与第一空气轴承(B1)和第二空气轴承的(B2)的内圈固定连接。


3.根据权利要求2所述的一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，其特征在于，其中，多个所述轴承连接架均匀分布在所述支撑通轴(S0)的周向上，多个所述轴承连接架用于保持所述第一空气轴承(B1)和所述第二空气轴承(B2)在转动时形成的惯量主轴与所述支撑通轴(S0)共线；
所述第一空气轴承(B1)通过盘形轴承座安装在所述实验场地的固定平台上，所述第二空气轴承(B2)通过窝状轴承座安装在实验场地的固定平台上，且所述第二空气轴承(B2)被配置成与所述窝状轴承座之间能够产生相对的万向转动，来实现所述支撑通轴(S0)在轴向上的转动自由度；
所述磁矩生成装置(L0)位于所述第一空气轴承(B1)和所述第二空气轴承(B2)之间的所述支撑通轴(S0)的轴身上。


4.根据权利要求1所述的一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，其特征在于，所述系统中的磁矩生成装置(L0)、所述第一目标投送组件(A0)和第二目标投送组件(A1)在转动时形成的惯量轴与所述支撑通轴(S0)的轴线共线。


5.根据权利要求4所述的一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，其特征在于，所述第一目标投送组件(A0)和所述第二目标投送组件(A1)均包括通过动量交换结构安装在所述支撑通轴(S0)上的投送连接结构，所述投送目标安装在所述投送连接结构的端部；
其中，所述第一目标投送组件(A0)的动量交换结构和所述第二目标投送组件(A1)的动量交换结构在接收磁矩生成装置(L0)的开始转动的信号后驱动对应所述投送连接结构以所述支撑通轴(S0)为转动轴转动。


6.根据权利要求5所述的一种基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统，其特征在于，还包括供电配电模块、释放投送主动控制模块、动量交换主动控制模块、投送目标速度检测模块和地磁场强度测量模块；
所述供电配电模块，用于为空气轴承、动量交换结构、磁矩生成装置(L0)供电、释放投送主动控制模块、动量交换主动控制模块、投送目标速度检测模块和地磁场强度测量模块供电；
所述动量交换主动控制模块，用于根据所述姿态控制模块的监测数据控制所述动量交换结构的输出力矩和方向；
所述地磁场强度测量模块，用于测量所述磁矩生成装置(L0)所处位置在地磁坐标系下的X轴，Y轴和Z轴上地磁场分量强度；
所述投送目标速度检测模块，用于实时监测所述投送目标的线速度，并在所述投送目标达到设定线速度后向所述释放投送主动控制模块发送工作信号，所述释放投送主动控制模块控制投送连接结构上的所述投送目标的分时/同时的释放。


7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的基于地磁储能释能的多自由度投送地面系统的投送方法，其特征在于，包括具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯冠华，李文皓，肖歆昕，张珩，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，中国科学院力学研究所广东空天科技研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11