本发明涉及航天装备测试，尤其涉及一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置。
背景技术：
1、地外星球的探索对于拓展人类对太空的认识具有重大意义，因此成为各国航天领域的研究热点。目前，中国、美国和苏联均已成功实现星球车登陆月球和火星，欧洲、印度和日本等也将月球探测提上了日程。星球车作为重要的探测工具，其运动性能直接关系到航天任务的成败。因此，为了确保航天任务的顺利进行，需要在发射前对星球车进行完备的地面实验验证。
2、车轮作为星球车与地表直接接触的关键部件，承担着承载星球车整体重量、产生牵引力以及反馈地形信息的多重功能。因此，研究外星环境下星球车的轮地作用对分析星球车的整体性能至关重要。
3、然而，由于重力差异，星球车在地球和外星表面的运动性能会有显著区别。为了模拟星球车的真实工作状态，研究其在外星崎岖环境下的地面力学问题，必须在地球上模拟外星的重力环境，并研制特殊的轮地力学特性测试系统，以实现对星球车车轮运动性能的精准测试。
4、目前，对星球车轮地作用进行分析的实验装置很少考虑重力差异的影响。现有的低重力模拟方法主要采用悬吊法，该方法是利用吊索和恒拉力机构为星球车提供补偿力。尽管该技术相对成熟，但也存在诸多不足之处，例如系统摩擦力大，吊索的柔性和抖动以及配重块的惯性效应等，这些因素都不利于实现高精度的模拟和测试。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，通过超导体补偿星球车车轮的重力，从而模拟外星低重力环境下的星球车动力学性能，并探究不同地面硬度和崎岖程度对星球车动力学性能的影响。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、本发明所提出的一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，包括机架、地面模拟组件、星球车车轮系统和超导体重力补偿组件；所述星球车车轮系统设置在机架的上部中间区域；所述地面模拟组件对应设置在星球车车轮系统的一侧下方且其底部两侧对应与机架固连；所述超导体重力补偿组件设置在机架的下部中间区域且其作业端与星球车车轮系统对应。
4、进一步的，所述星球车车轮系统包括直线滑轨、角度传感器、车架、下横臂、上横臂、车轮、轮毂、转向关节、转向传动杆、转向拉杆、上横臂扭杆、下横臂扭杆和轮毂电机；所述直线滑轨竖向固定在机架上；所述车架滑动连接在直线滑轨前侧；所述上横臂扭杆设置在车架的前侧上部；所述下横臂扭杆设置在车架的前侧下部；所述角度传感器固连在车架一端后侧，且输入端通过平行四边形连杆与上横臂扭杆一端连接；所述轮毂设置在车架的前方；所述轮毂电机通过电机壳同轴设置在轮毂的后端，轮毂与轮毂电机的输出端同轴固连；所述上横臂为v型结构，其尖端对应与电机壳上部铰接，开口两端分别与上横臂扭杆两端对应铰接；所述下横臂为v型结构，其尖端对应与电机壳下部铰接，开口两端分别与下横臂扭杆两端对应铰接；所述转向关节一端与车架端部铰接，另一端与转向传动杆铰接；所述转向传动杆转动连接在车架上；所述转向拉杆的两端分别通过球副对应与转向传动杆和电机壳球面连接；所述车轮对应设置在轮毂外侧。
5、进一步的，所述下横臂中间区域内部设置有磁棒。
6、进一步的，所述车架的前侧中部与电机壳后侧中部之间设置有阻尼器；所述阻尼器的两端分别与车架和电机壳铰接。
7、进一步的，所述地面模拟组件包括带轮、带轮辊子、固定辊子座、涨紧辊子座涨紧端和涨紧辊子座固定端；所述带轮设置在车轮的下方并与其接触；所述带轮辊子分别安装在带轮内部的左右两端；一端带轮辊子的左右两端分别通过固定辊子座与机架连接；另一端带轮辊子的两端分别通过涨紧辊子座固定端与机架连接；所述带轮棍子与固定辊子座、涨紧辊子座固定端之间均通过轴承连接；所述固定辊子座和涨紧辊子座固定端与机架固连；所述涨紧辊子座涨紧端一侧设置有t型导轨；所述涨紧辊子座固定端的一侧内部对应设置有t型导槽，两者之间通过t型导轨与t型导槽滑动定位，并通过横向的螺栓固定。
8、进一步的，所述超导体重力补偿组件包括机械臂、光学面包板、超导体、杜瓦、温度缓冲台、压力传感器和超导体支撑座；所述光学面包板固定在机架内侧底部；所述机械臂固连在光学面包板上表面；所述超导体安装在杜瓦内部；所述温度缓冲台固连在杜瓦底部；所述超导体支撑座设置在温度缓冲台下方且相互不接触；所述压力传感器设置在温度缓冲台和超导体支撑座之间，且其一侧与温度缓冲台底部固连，另一侧与超导体支撑座顶部固连；所述超导体支撑座后侧对应与机械臂末端固连；所述超导体在机械臂的控制下保持在磁棒下方。
9、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
10、1、本发明能实现对星球车单轮在外星低重力环境下的动力学性能的模拟，并且能研究不同地面硬度和崎岖程度对其动力学性能的影响。
11、2、本发明对于研究星球车轮地作用、测试星球车车轮的运动性能以及验证星球车的可靠性具有重要作用。其特点包括高精度的低重力环境模拟、可调节的重力环境和地面参数，以及占地面积小等。能够满足各种实验需求，并提供可靠的实验数据。
技术特征：1.一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，其特征在于：所述装置包括机架、地面模拟组件、星球车车轮系统和超导体重力补偿组件；所述星球车车轮系统设置在机架的上部中间区域；所述地面模拟组件对应设置在星球车车轮系统的一侧下方且其底部两侧对应与机架固连；所述超导体重力补偿组件设置在机架的下部中间区域且其作业端与星球车车轮系统对应。
2.根据权利要求1所述的一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，其特征在于：所述星球车车轮系统包括直线滑轨、角度传感器、车架、下横臂、上横臂、车轮、轮毂、转向关节、转向传动杆、转向拉杆、上横臂扭杆、下横臂扭杆和轮毂电机；所述直线滑轨竖向固定在机架上；所述车架滑动连接在直线滑轨前侧；所述上横臂扭杆设置在车架的前侧上部；所述下横臂扭杆设置在车架的前侧下部；所述角度传感器固连在车架一端后侧，且输入端通过平行四边形连杆与上横臂扭杆一端连接；所述轮毂设置在车架的前方；所述轮毂电机通过电机壳同轴设置在轮毂的后端，轮毂与轮毂电机的输出端同轴固连；所述上横臂为v型结构，其尖端对应与电机壳上部铰接，开口两端分别与上横臂扭杆两端对应铰接；所述下横臂为v型结构，其尖端对应与电机壳下部铰接，开口两端分别与下横臂扭杆两端对应铰接；所述转向关节一端与车架端部铰接，另一端与转向传动杆铰接；所述转向传动杆转动连接在车架上；所述转向拉杆的两端分别通过球副对应与转向传动杆和电机壳球面连接；所述车轮对应设置在轮毂外侧。
3.根据权利要求2所述的一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，其特征在于：所述下横臂中间区域内部设置有磁棒。
4.根据权利要求2所述的一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，其特征在于：所述车架的前侧中部与电机壳后侧中部之间设置有阻尼器；所述阻尼器的两端分别与车架和电机壳铰接。
5.根据权利要求2所述的一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，其特征在于：所述地面模拟组件包括带轮、带轮辊子、固定辊子座、涨紧辊子座涨紧端和涨紧辊子座固定端；所述带轮设置在车轮的下方并与其接触；所述带轮辊子分别安装在带轮内部的左右两端；一端带轮辊子的左右两端分别通过固定辊子座与机架连接；另一端带轮辊子的两端分别通过涨紧辊子座固定端与机架连接；所述带轮棍子与固定辊子座、涨紧辊子座固定端之间均通过轴承连接；所述固定辊子座和涨紧辊子座固定端与机架固连；所述涨紧辊子座涨紧端一侧设置有t型导轨；所述涨紧辊子座固定端的一侧内部对应设置有t型导槽，两者之间通过t型导轨与t型导槽滑动定位，并通过横向的螺栓固定。
6.根据权利要求3所述的一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，其特征在于：所述超导体重力补偿组件包括机械臂、光学面包板、超导体、杜瓦、温度缓冲台、压力传感器和超导体支撑座；所述光学面包板固定在机架内侧底部；所述机械臂固连在光学面包板上表面；所述超导体安装在杜瓦内部；所述温度缓冲台固连在杜瓦底部；所述超导体支撑座设置在温度缓冲台下方且相互不接触；所述压力传感器设置在温度缓冲台和超导体支撑座之间，且其一侧与温度缓冲台底部固连，另一侧与超导体支撑座顶部固连；所述超导体支撑座后侧对应与机械臂末端固连；所述超导体在机械臂的控制下保持在磁棒下方。
技术总结本发明涉及一种利用超导体模拟低重力环境下轮地作用的实验装置，包括机架、地面模拟组件、星球车车轮系统和超导体重力补偿组件；所述星球车车轮系统设置在机架的上部中间区域；所述地面模拟组件对应设置在星球车车轮系统的一侧下方且其底部两侧对应与机架固连；所述超导体重力补偿组件设置在机架的下部中间区域且其作业端与星球车车轮系统对应。本发明通过超导体重力补偿组件利用超导体在零场冷下的迈斯纳效应，抵消星球车车轮系统的部分重力，实现高精度的低重力环境模拟。该装置具有可调节的重力环境及地面参数，而且占地面积小，能满足各种实验需求并提供可靠的实验数据。
技术研发人员：邱雪松,邵梓康,何俊颉,石新宇,李玉航,孙乾元
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：技术公布日：2024/10/31