用于望远镜转台试验的重力卸载装置

1.本专利涉及的一种用于望远镜转台试验的重力卸载装置，特别适用于空间望远镜转台地面二维转动试验的重力卸载，同样也适用于其它二维转动装置或平移装置的地面无重力或微重力试验场景。


背景技术：

2.随着材料、电子、机械等基础技术的快速发展，太空通信、电子侦察、地球观测、陆地遥感等技术得到大幅提升，人类对探索和开发宇宙有了更加强烈的需求。美国、俄罗斯、日本及欧洲诸多国家都重点发展空间技术，我国也将航空航天事业摆到了一个重要位置。
3.空间望远镜能够避开大气且不受重力影响，具有更强的观测能力及分辨本领，在天文科学、地球科学、军事应用、民用生产等众多领域发挥着重要作用。航天活动需要耗费巨大的人力、物力和财力，为了确保航天活动能够顺利完成，要求空间载荷在发射升空之前，需要进行地面试验验证。
4.通常空间望远镜在设计过程中都有严格的刚度、强度、稳定性、安全性等要求，使其结构往往偏重，尤其对大口径空间望远镜而言，在地面重力状态下，电机转动所需的力矩与在轨状态相差悬殊，因此，为了更真实的模拟望远镜在无重力或微重力环境下的转动，必须要进行适当的重力卸载处理。目前工程上用于实现重力卸载的方法有很多，可概括归纳为基于运动平衡和力平衡的两类。基于运动平衡的重力卸载方法主要有落塔法和失重飞机法，具有模拟精度高，能够实现三个自由度的失重模拟，并且可多次重复实验，但缺点也比较明显，其试验持续时间较短，造价昂贵，且对试验对象有着严格的尺寸要求。基于力平衡的重力卸载方法主要有水浮法和气浮法，通常以气体或液体为媒介形成气膜，将测试对象抬起并悬浮，具有持续时间长、精度高的优点，但缺点是装置结构复杂，不适用于长行程、大负载工况。
5.通过查阅文献，目前可应用于望远镜双轴转动的重力卸载装置较少，存在结构复杂、卸载程度不高、行程小等问题。本专利所涉及的一种用于望远镜转台试验的重力卸载装置，其原理是基于力平衡的重力卸载装置，通过采用滑轮组+平行四杆机构的组合方式，实现望远镜在俯仰和扭转状态下的微重力转动，具有可靠性高、卸载程度高的优势，可实现低速、大行程、大负载的望远镜转台地面试验。最后，本专利对于其它相关领域的重力卸载问题具有重要的工程指导意义和实用价值。


技术实现要素：

6.转台作为空间望远镜的核心结构，对测绘精度、稳定性有着直接影响，因此，研制过程需要进行微重力模拟试验。本专利针对其微重力试验环境难模拟的问题，设计了一种适用于空间望远镜转台地面二维转动试验的重力卸载装置，该专利同样也适用于其它类似结构的地面无重力或微重力的试验场景。
7.本专利基于力平衡的思想，通过采用滑轮组与平行四杆机构相互配合的形式，来
抵消望远镜转动过程中的自重及重力做功，其中，滑轮组能够对望远镜产生一个始终竖直向上的恒定拉力，大小等于望远镜组件的有效重力，而平行四杆机构能够保证拉力方向始终穿过望远镜组件的质心位置，进而等效创建无重力或微重力环境。
8.本专利所述重力卸载装置如附图1所示，包括机架1、滑轮组2、平行四杆机构3和调心机构4，其中：
9.所述的机架1是滑轮组2、平行四杆机构3和调心机构4的安装载体。滑轮组2能够对平行四杆机构3产生一个竖直向上的恒定拉力，大小等于平行四杆机构3和望远镜组件的有效重力。平行四杆机构3整体通过球铰连接在滑轮组2的底部，具有扭转和俯仰两个方向的转动自由度。平行四杆机构3与望远镜组件之间设置有调心机构4，将用于保证平行四杆机构3的底杆(3-4)中心与望远镜质心保持重合。调心机构4与望远镜组件之间通过螺丝直接固定，与平行四杆机构3之间则采用球铰连接。
10.所述的机架1采用铝型材1-2拼接组成，长宽高根据目标的最大包络尺寸而缩放，顶部安装有轨道1-3，底部设置有自锁功能的万向轮1-1，与目标位置进行对位调整。
11.所述的滑轮组2包括配重组件2-1、滑轮车2-2、随动轮2-3、缆绳2-4、抗扰动轴2-5和定滑轮2-6，其中，随动轮2-3通过缆绳2-4和抗扰动轴2-5 与滑轮车2-2连接，滑轮车2-2在轨道1-3上往复移动，配重组件2-1包括主配重和副配重两部分，在设备组装调试时，通过小型砝码等物品对副配重进行局部微调，随动轮2-3在望远镜的牵扯下带动滑轮车2-2平移，抗扰动轴2-5 有效增加随动轮2-3和滑轮车2-2在水平方向上的刚度，使随动轮2-3两侧的缆绳(2-4)保持竖直状态，降低由振动等因素而引起的拉力波动。
12.所述的平行四杆机构3包括上杆3-1、左拉杆3-2、右拉杆3-3和底杆3-4，其中，底杆3-4为望远镜组件的一部分；
13.平行四杆机构3具有两对边总能保持平行运动的关系，所述底杆3-4的中心点要求通过调心机构4调整至望镜组件的有效质心，随动轮2-3作用于上杆 3-1中心的竖直拉力f
随
，等效分解为分别作用于底杆3-4的中心和平行四杆机构质心位置的两个分力f
′
和f
″
，其中，f
′
用于抵消平行四杆机构3的重力及重力做功，f
″
用于抵消望远镜组件的重力及重力做功；
14.平行四杆机构3的上杆3-1与随动轮2-3、左拉杆3-2与调心机构4、右拉杆3-3与调心机构4均采用球铰连接，左拉杆3-2与上杆3-1、右拉杆3-3 与上杆3-1采用活页铰连接，降低平面外自由度的振荡。
15.所述的调心机构4包括固定架4-1、纵向调节杆4-2、轴向调节杆4-3、第一平衡块4-4以及第二平衡块4-5，其中，固定架4-1直接固定在望远镜组件两侧，纵向调节杆4-2沿固定架4-1上下平移，轴向调节杆4-3沿纵向调节杆4-2前后平移；另一方面，所述调心机构4在纵向调节杆4-2和轴向调节杆 4-3的末端分别设置有第一平衡块4-4和第二平衡块4-5，通过增加配重的方式来改变质心位置。
16.本专利特点：
17.1)如附图2和3所示，本专利涉及的重力卸载装置可实现空间望远镜转台的无重力转动试验，其中，最大无重力俯仰转角γ理论可达到
±
90
°
，最大无重力扭转转角θ理论可达到
±
90
°
，满足望远镜转台的极限转动要求。此外，本专利还能够通过调节配重大小，来模拟不同重力场下的加速度。
18.2)本专利涉及的重力卸载装置采用纯机械结构，具有方法简单、卸载可靠且成本较低的优点，可满足低速、长时间、大行程、大载荷的工况要求。
19.3)本专利所述重力卸载装置的应用范围不局限于空间望远镜转台的二维无重力转动，同样适用于其它平移、转动或平移转动混合类的结构。
附图说明
20.图1为本专利所述重力卸载装置的整体结构示意图。
21.图2为本专利所述重力卸载装置的俯仰转角γ示意图。
22.图3为本专利所述重力卸载装置的扭转转角θ示意图。
23.图4为本专利所述重力卸载装置的机架结构示意图。
24.图5为本专利所述重力卸载装置的滑轮组结构示意图。
25.图6为本专利所述重力卸载装置的平行四杆机构示意图。
26.图7为本专利所述重力卸载装置的调心机构示意图。
27.附图所述标识为：机架1、万向轮1-1、铝型材1-2、轨道1-3；滑轮组2、配重组件2-1、滑轮车2-2、随动轮2-3、缆绳2-4、抗扰动轴2-5、定滑轮2-6；平行四杆机构3、上杆3-1、左拉杆3-2、右拉杆3-3、底杆3-4；调心机构4、固定架4-1、纵向调节杆4-2、轴向调节杆4-3、第一平衡块4-4、第二平衡块 4-5。
具体实施方式
28.以下结合附图对本专利的结构进行详细的描述。
29.1、机架结构
30.如图4所示，机架1采用铝型材1-2拼接组成，长宽高可根据目标的最大包络尺寸而缩放，顶部安装有轨道1-3，底部设置有自锁功能的万向轮1-1，可与目标位置进行对位调整。
31.2、滑轮组
32.如图5所示，滑轮组2包括配重组件2-1、滑轮车2-2、随动轮2-3、缆绳2-4、抗扰动轴2-5和定滑轮2-6，其中，随动轮2-3通过缆绳2-4和抗扰动轴2-5与滑轮车2-2连接，滑轮车2-2可在轨道1-3上往复移动。配重组件 2-1包括主配重和副配重两部分，在设备组装调试时，可通过小型砝码等物品对副配重进行局部微调。随动轮2-3在望远镜的牵扯下能够带动滑轮车2-2平移，抗扰动轴2-5能够有效增加随动轮2-3和滑轮车2-2在水平方向上的刚度，使随动轮2-3两侧的缆绳2-4能够保持竖直状态，降低由振动等因素而引起的拉力波动。
33.配重组件2-1通过缆绳2-4将力传递到随动轮2-3，配重与随动轮受到的拉力关系如下：
34.2mg＝f
随
+(m3+m4+m5)g+f135.式中：
36.m—表示配重组件的总质量；
37.f
随
—表示随动轮受到的拉力；
38.g—表示重力加速度值；
39.m3—表示随动轮的质量；
40.m4—表示抗扰动杆的质量；
41.m5—表示滑轮组部分的其它参与质量；
42.f1—滑轮组产生的总摩擦阻力，方向与运动趋势有关；
43.3、平行四杆机构
44.如图6所示，平行四杆机构3包括上杆3-1、左拉杆3-2、右拉杆3-3和底杆3-4，其中，底杆3-4可视为望远镜组件的一部分，要求其中心点与望镜的质心位置重合。随动轮2-3作用于上杆3-1中心的竖直拉力f
随
，可等效分解为分别作用于底杆3-4的中心和平行四杆机构质心位置的两个分力f
′
和f
″
，其中，f
′
用于抵消平行四杆机构3的重力及重力做功，f
″
用于抵消望远镜组件的重力及重力做功。
45.f
随
＝f
′
+f
″
＝(m0+m1+m2)g+f246.式中：
47.m0—表示望远镜组件的总参与质量；
48.m1—表示平行四杆机构的总质量；
49.m2—表示滑轮组部分的其它参与质量；
50.f2—平行四杆机构产生的总摩擦阻力，方向与运动趋势有关；
51.本专利要求平行四杆机构3既能跟随望远镜移动，又能保持两对边平行的关系，便需要释放相应的转动自由度，解决措施如下：上杆3-1与随动轮2-3、左拉杆3-2与调心机构4、右拉杆3-3与调心机构4均采用球铰连接，可保证整体随动的同时，避免限位卡死；对左拉杆3-2与上杆3-1、右拉杆3-3与上杆3-1则采用活页铰连接，以降低因平面外自由度振荡而引起拉力波动问题。
52.4、调心机构
53.调心机构4是重力卸载的核心结构，能够保证望远镜的质心与底杆(3-4) 的中心重合。如图7所示，调心机构4包括固定架4-1、纵向调节杆4-2、轴向调节杆4-3、第一平衡块4-4以及第二平衡块4-5，其中，固定架4-1直接固定在望远镜组件两侧，纵向调节杆4-2可沿固定架4-1上下平移，轴向调节杆4-3可沿纵向调节杆4-2前后平移，这类通过平移来调节的方法属于主动调节。另一方面，本专利在纵向调节杆4-2和轴向调节杆4-3的末端分别设置有第一平衡块4-4和第二平衡块4-5，能够通过增加配重的方式来改变质心位置，这类方法属于被动调节。