基于混合磁悬浮系统的空间操作地面微重力效应模拟方法研究

发布时间：2020-08-17 09:18

【摘要】：由于航天器发射和运行的空间环境特点,决定了航天任务具有高风险、高成本特征,因而航天器及其元器件不能在空间进行多次重复实验。这样一来,地面的实验和验证就显得特别重要。由航天器与地球等星体的时空关系和运动特性形成的微重力环境构建,是航天器设计、制造、测试,特别是运行、操作过程验证与重现最为必要的地面设施。目前,地面模拟空间微重力环境的系统构建有多种方式,主要有:机电控制悬吊法、自由落体运动法、气悬浮法、液浮法等。西北工业大学航天学院研究团队新近提出了“电磁力系统+液浮法悬浮微重力环境地面模拟方法”,在液体浮力系统的基础上引入磁悬浮系统,并将两者结合~([1]),可以完美的解决现有液浮法微重力模拟系统存在的不足,同时具备对实验目标提供长时间、三维微重力模拟效应、大范围六自由度运动空间、悬浮高度任意调节能力等优势。该方法的核心之一是引入非接触力(电磁力)作为目标物受力(重力+浮力+电磁力)的精确补偿手段,实现了空间操作微重力环境的地面模拟。作为该团队重要参与者,依托国家863计划的支持,重点研究了一种基于分布式电磁线圈阵列的大间隙永磁+电磁混合磁悬浮系统,该系统具备了大间隙电磁力作用、电磁力精确控制、电磁力轴向均匀等特点。本文以分析和解决大间隙电磁力精确补偿控制为主线,对混合磁悬浮系统的工作机理、系统组成、电磁力建模、运动控制策略以及实验平台的搭建等一系列问题进行了深入研究,取得了如下研究成果:基于空间操作地面微重力模拟系统大间隙电磁力作用的需求,提出了“轴向均匀电磁力运动场”的设计理念,设计了一种分布式电磁线圈阵列+永磁运动体的混合磁悬浮系统。研究了该系统的电磁特性;以满足最大悬浮力为设计指标,以混合磁悬浮系统功率能耗为优化目标,获得了混合磁悬浮系统结构的一般设计方法;建立了混合磁悬浮系统结构的参数化模型,研究了系统各参量与电磁力的影响机理,阐明了其构建方案和关键技术,解决了大间隙环境下混合悬浮系统磁场均匀性问题。揭示了混合磁悬浮系统结构参数与电磁力的影响机理,对分布式电磁线圈阵列的空间磁场分布进行了定量模拟,结合磁路法与虚位移法,建立了混合磁悬浮系统工作模式下电磁力数学模型,阐明了电磁力空间位置矢量变化与不同工作单元之间的定量关系;通过仿真和测试实验对电磁力模型的计算精度进行了验证,指出了这种建模方法可以有效的描述分布式电磁线圈阵列+永磁运动体的电磁作用力;同时指出了在大间隙磁悬浮工况下,涡流损耗、等效气隙面积等因素也会对电磁力模型造成影响。针对混合磁悬浮系统的非线性、大滞后性等特点,论文研究了混合磁悬浮系统在轴向均匀力场的动力学模型,提出了基于平衡点线性化的复合PID控制方法,补偿了系统的滞后效应;设计了基于位置控制的动态非线性控制器,通过仿真和实验,验证了基于平衡点线性化的动态非线性控制器与传统的PID控制器相比,能够使大间隙混合磁悬浮系统获得更快的响应速度和更小的动态误差,并能够使系统在大间隙工况下实现稳定悬浮。在相关理论研究的基础上,搭建了混合磁悬浮系统的原理性试验平台,采用轴向加速度传感器和三维空间位置测量装置,反馈悬浮体的运动状态及位置信息,分别进行了磁场均匀性测试、混合磁悬浮系统动力学模型验证、电磁力精确控制测试、“电磁力+液浮”实验环境下的微重力模拟水平测试;结果验证了系统方案的有效性、轴向电磁力动态精确补偿控制策略及本文的理论研究结果的正确性。综上所述,本文所论述的大间隙混合磁悬浮平台,建立的系统动力学模型以及所设计的动态非线性控制器能够实现对悬浮体实验空间任意高度的稳定悬浮控制,以及运动状态下的重力精确补偿。该项研究对“电磁力系统+液浮法悬浮微重力环境模拟方法”走向实际工程应用具有重要意义。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V416.5
【图文】：

失重环境,抛物线轨迹,飞机,物体

地面微重力研究实验装置之一，如图 1.1 所示。a) 不莱梅落塔的外观 b) 落塔的下落仓 c) 试验中的下落仓图1.1 不莱梅落塔（2）失重飞机失重飞机的基本原理：根据动力学原理，在地球的引力范围内，只有当物体加速或减速过程中所受的惯性力与地球引力相抵消时，才能是物体使物体处于真实的失重状态，即表现重力为零。依据上述原理，飞机在地球引力场内飞行时，通过特定的操作可以在短时间产生类似自由落体的状态，形成一种失重环境。失重飞机就是能够完成这种飞行的飞机，一般由现有飞机改装而成，可以在每个架次连续执行多个抛物线飞行任务，每个抛物线轨迹将完成“超重-失重-超重”的交替变化，其过程如图 1.2 所示。失重飞机通过在空中沿着抛物线轨迹机动飞行来实现对失重环境的模拟。其物理过程并不复杂

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第一章绪论5图1.2 失重飞机的飞行过程（3）探空火箭利用探空火箭在高空中飞行也是构建微重力环境的一种技术手段。与失重飞机相比，探空火箭可以实现更长时间和较高质量的微重力。探空火箭可以达到海拔 100 公里以上的高度，这里的空气密度是地球的表面的一千万分之一，拖拽阻力变得极小。当火箭引擎停止工作，唯一的作用力便是地心引力和一个可以忽略的拖拽力，火箭即作自由落体运动，可以在 6~15 分钟内达到 10-5g 的微重力试验条件[1-2]，如下图 1.3 所示。图1.3 探空火箭的飞行过程1.3.2 利用悬吊系统平衡重力通过滑轮组和吊丝将悬浮体与重力补偿装置连接起来，利用重力补偿装置抵消实验目标的重力，获得地面模拟微重力环境效应的实验系统。其基本原理是实验目标所受的重力由重力补偿装置进行补偿。其中重力补偿装置作为吊丝系统的核心机构

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如下图 1.3 所示。图1.3 探空火箭的飞行过程1.3.2 利用悬吊系统平衡重力通过滑轮组和吊丝将悬浮体与重力补偿装置连接起来，利用重力补偿装置抵消实验目标的重力，获得地面模拟微重力环境效应的实验系统。其基本原理是实验目标所受的重力由重力补偿装置进行补偿。其中重力补偿装置作为吊丝系统的核心机构，主

【参考文献】