1.本发明属于航天工程微低重力模拟试验领域，更具体地，涉及一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法。


背景技术：

2.航天器设计研发成本和在轨执行任务的风险较高，为了确保航天器的运行可靠性和安全性，发射升空前必须在地面进行航天器件的性能验证，因此需要模拟高保真的微低重力环境。
3.查阅文献发现常用的微低重力环境模拟方法按原理分为：运动法模拟微重力和力平衡法模拟微重力，运动法模拟微重力包括落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等方式，力平衡法模拟微重力包括气浮法、水浮法、悬吊法、静平衡机构法、电磁平衡法等。
4.其中静平衡法的装置结构精巧，易于实现，可实现多自由度微重力模拟，附加惯性效应小，缺点是微重力模拟精度易受弹簧刚度等因素影响。
5.此外现有静平衡法微低重力环境模拟装置主要是采用恒力气缸进行重力的卸载，达到微低重力环境模拟，但是由于气体强可压缩性带来的非线性控制和时滞问题，严重影响微低重力环境模拟的精度和响应速度，无法满足航天器的微低重力环境模拟需求。其次，在微低重力环境模拟过程中，负载设备可能因如喷气变轨或姿态调整等主动操作，而导致负载质量实时变化，需要对因质量实时变化导致的支承高度变化进行补偿，以保证模拟试验的精度。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置与方法，旨在解决微低重力环境模拟装置重力卸载精度低的问题。
7.为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供一种用于变质量负载的微低重力环境模拟装置，其包括近零刚度支承组件、运动跟随组件和负载设备质量监测组件，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，负载设备质量监测组件与变质量负载相连，变质量负载固定或者铰接于近零刚度支承组件上，
8.近零刚度支承组件包括顶板、底板、设置在顶板和底板之间的被动支承单元和直线式作动器，顶板和底板相互平行，顶板用于承载待模拟的负载设备，被动支承单元的承载能力大于待模拟的负载设备所受的重力，运动跟随组件与底板相连，用于给底板提供激励，以使底板跟随顶板伴产生预定的速度和运动，
9.负载设备质量监测组件包括负载设备控制器和负载质量传感单元，负载设备控制器与负载质量传感单元相连，负载设备传感单元用于实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器同时还与直线式作动器信号相连，
10.工作中，负载设备质量发生变化时，通过负载质量传感单元实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器生成质量变化补偿的前馈力信号，直线式作动器根据该前馈力信号通过顶板对负载设备实时补偿，被动支承单元、直线式作动器、运动跟随组件共同协作，以在地球环境下给质量实时变化的待模拟的负载设备提供位于重力加速度为g'的星球表面或太空受力环境，其中，0≤g'《g，g为地球表面重力加速度。
11.进一步的，所述负载质量传感单元包括气体压力传感器和质量流量计，所述气体压力传感器安装于负载设备储气罐内部，具有至少一个，其用于监测负载设备储气罐内压力的变化从而能计算出气体质量消耗量，所述质量流量计安装于负载设备喷气管路中，具有至少一个，用于直接监测负载设备各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量。
12.进一步的，采用轻柔线缆将气体压力传感器和质量流量计连接在负载设备上，以避免给负载设备的零重力或微低重力环境模拟带来扰动影响，气体压力传感器在整个负载设备中不同位置布置有多个，质量流量计也在整个负载设备的喷气管路中不同位置布置有多个。
13.进一步的，气体压力传感器实时监测负载设备储气罐内或者气动系统内压力的变化，并计算出气体质量消耗量，质量流量计实时监测各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量，并将监测信号传输至负载设备控制器，负载设备控制器融合气体压力传感器和质量流量计两者反馈的气体质量消耗量，通过设定的准则执行自动分析，获得精准的负载设备质量变化量，所述负载设备控制器依据获得的质量消耗量生成质量变化补偿的前馈力信号，输出指令以控制直线式作动器的出力。
14.进一步的，近零刚度支承组件还包括导向机构，运动跟随组件包括位移传感器、直线运动机构、驱动控制模块和底座，其中，被动支承单元包括正刚度元件和负刚度元件，正刚度元件和负刚度元件相互并联，正刚度元件和负刚度元件设置在顶板和底板之间，被动支承单元用于被动支承负载设备的重力，导向机构也设置在顶板和底板之间，并同时连接顶板和底板，所述导向机构用于在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板与所述底板之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉；所述位移传感器布置在顶板与底板之间，其上端与顶板连接，下端与底板连接，用于监测被动支承单元的高度变化；所述直线运动机构的连接于底板下方，使被动支承单元能够在负载设备重力方向上进行预设的移动；所述驱动控制模块分别与位移传感器、直线运动机构、直线式作动器和负载设备控制器电连接，用于根据接收到的位移传感器的信号信息，驱动控制直线运动机构，还用于根据负载设备控制器的信号控制直线式作动器运动；所述底座顶面与直线运动机构的固定端连接，底面固定连接于外部基础上；
15.以上装置工作时，所述驱动控制模块接收位移传感器和负载设备控制器的反馈信号，控制直线式作动器和直线运动机构运动，保证顶板和底板之间的相对位移恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，并对变质量负载设备的质量消耗量生成质量变化补偿，使顶板对负载设备的支承力波动近零。
16.进一步的，所述直线式作动器包括定子和动子，所述定子与底板相连，动子与顶板相连，直线式作动器和被动支承单元相互并联，并且直线式作动器相对高度和被动支承单元的相对高度均可调节，二者有效工作行程的中点在高度上的差别不超过1mm或不超过二
者最小工作行程的1/10。
17.进一步的，所述正刚度元件配合连接有高度调节机构，所述高度调节机构用于调节被动支承单元与直线式作动器的相对安装高度，所述高度调节机构包括螺母和螺柱，所述螺母穿过螺柱并与正刚度元件配合连接，所述螺柱与所述底板固定连接，旋转所述螺母能够调节正刚度元件与负刚度元件并联形成的被动支承单元与直线式作动器的相对安装高度。
18.进一步的，所述正刚度元件为金属螺旋弹簧、橡胶或空气弹簧；所述负刚度元件为磁负刚度机构、预压缩弹簧负刚度机构、压杆负刚度或凸轮-滚轮-弹簧负刚度机构，所述导向机构为气浮导轨，所述位移传感器为光栅尺位移传感器、激光位移传感器、电涡流传感器、霍尔传感器或lvdt位移传感器。
19.进一步的，所述直线运动机构为丝杠直线运动机构、气动直线运动机构、液压直线运动机构、齿轮-齿条直线运动机构、绞车提升机构、链传动机构、同步带传动机构或直线电机，所述直线式作动器为音圈电机、洛伦兹电机、直线电机或磁阻电机。
20.按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述装置实现变质量负载的微低重力环境模拟的方法，包括下述步骤：
21.s1：在地表重力环境中将待模拟的负载设备放置于顶板上方，调整直线式作动器的发力大小为负载设备在目标微低重力环境下的重力，使被动支承单元承担负载设备的剩余重力；
22.s2：通过高度调节机构改变被动支承单元高度为自身的行程中点，直至被动支承单元的刚度为零；
23.s3：启动直线运动机构，根据位移传感器监测的被动支承单元的高度变化信息，在重力方向使被动支承单元移动，同时使被动支承单元高度变化收敛，保持负载设备具有目标微低重力环境下的加速度；
24.s4：启动直线式作动器，根据位移传感器监测的被动支承单元的高度变化信息，在重力方向对顶板进行激励，抵消被动支承单元形变造成的波动力，精准保持负载设备具有零重力环境下的加速度；
25.s5：根据负载质量传感单元监测的负载设备的质量变化信息，通过负载设备控制器将质量变化信息反馈至驱动控制模块，通过驱动控制模块改变直线式作动器在重力方向对顶板的激励大小，抵消负载设备质量变化造成的波动力，保持负载设备具有零重力环境下的加速度。
26.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，用于取得下列有益效果：
27.(1)负载质量传感单元实时监测负载设备因主动操作或被动变化导致的负载质量的实时变化，并依据该变化，使直线式作动器对因负载设备质量实时变化造成的波动力进行抵消，提高了模拟试验的精度。以被动支承单元对负载设备进行支承，形成的被动系统在实现零重力环境模拟的同时，其响应速度快、几乎没有时延，所述被动支承单元利用正刚度元件支承负载设备，负刚度元件在平衡位置抵消正刚度元件的刚度，使得被动支承单元能够具有较大负载的同时，刚度呈现准零状态，进一步提高了模拟试验的精度。
28.(2)直线运动机构对比现有重力模拟装置中的气缸机构，其位移范围更大，行程可
达米级，使支承装置能够在大行程内实现高保真的垂向微低重力环境模拟。被动支承单元、直线式作动器和导向机构均为无摩擦损耗部件，使装置对于负载设备动力学行为模拟的灵敏度、分辨率更高。
29.(3)在模拟试验中，驱动控制模块根据接收到的位移传感器和负载质量传感单元的信号信息，驱动直线式作动器和直线运动机构，对试验过程中存在的波动力进行抵消，提高了模拟试验的相应速度和精度。
附图说明
30.图1是本发明实施例的用于变质量负载的微低重力环境模拟装置内部结构示意图；
31.图2是采用本发明实施例所述装置实现变质量负载的微低重力环境模拟的方法的流程示意图。
32.附图中标记为：1-顶板，2-底板，3-正刚度元件，4-负刚度元件，5-直线式作动器，6-导向机构，7-高度调节机构，8-位移传感器，9-直线运动机构，10-驱动控制模块，11-底座，12-负载质量传感单元，12a-气体压力传感器，12b-质量流量计。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.图1是本发明实施例的用于变质量负载的微低重力环境模拟装置内部结构示意图，由图可知，其包括近零刚度支承组件、运动跟随组件和负载设备质量监测组件3，近零刚度支承组件和运动跟随组件相互独立，并且近零刚度支承组件和运动跟随组件上下连接形成串联结构，负载设备质量监测组件3与变质量负载相连，变质量负载固定或者铰接于近零刚度支承组件上。
35.具体的，近零刚度支承组件包括顶板1、底板2、正刚度元件3、负刚度元件4、导向机构6、直线式作动器5和高度调节机构7，运动跟随组件包括位移传感器8、直线运动机构9、驱动控制模块10和底座11。负载设备质量监测组件3包括负载设备控制器和负载质量传感单元12。
36.顶板1与底板2水平设置且相互平行，顶板1与底板2均为正方形金属承重板，所述顶板1用于固定待模拟的变质量负载(也称为负载设备)。正刚度元件3与负刚度元件4并联构成被动支承单元，被动支承单元两端分别与顶板1和顶板2固定连接，起支承待模拟的负载设备的作用，并在负载设备受到外力作用时迅速做出位移响应，被动支承单元的承载能力应大于待模拟的负载设备所受的重力，且其刚度应尽量小。正刚度元件3为金属螺旋弹簧，其特征是具有较大的承载能力和合理的低刚度特性，负刚度元件4为非接触、无摩擦的磁负刚度机构，用于在平衡位置抵消正刚度元件3的刚度，使得被动支承单元的刚度呈现准零状态。
37.计正刚度元件3的刚度值为k
p
(k
p
＞0)，负刚度元件4的刚度值为kn(kn＜0)，则二者
相加的综合刚度值在其有效工作行程范围内须保证为正且尽可能小，即ks＝k
p
+kn＞0，其中综合刚度值满足0.001k
p
＜ks＝k
p
+kn＜0.1k
p
。在本发明的一个实施例中，正刚度元件3和所述负刚度元件4的数量都为四个，并且这些正刚度元件3和所述负刚度元件4呈正方形布置。
38.所述直线式作动器5与被动支承单元并联，置于顶板1与底板2之间，为非接触的音圈电机，所述直线式作动器5包括直线式作动器动子和直线式作动器定子，直线式作动器5分别与顶板1和底板2固定连接，连接有线缆的直线式作动器定子与底板2连接，尽可能减小系统运动过程中线缆对顶板1的扰动影响。
39.所述导向机构6设于所述顶板1和所述底板2之间，在运动方向上起导向作用，且以非接触、无摩擦的导向机构为佳，所述导向机构6采用气浮导轨，其作用是在运动方向上无摩擦导向，并限制所述顶板1与所述底板2之间发生相对扭转，避免零部件相互干涉。其中，导向机构6连接有供气管路的气浮导轨定子固定安装于底板2上，气浮导轨动子固定安装于顶板1上，以避免系统运动过程中管路对所述顶板1的扰动影响。
40.所述高度调节机构7一端固定与底板2上，另一端与正刚度元件3配合，用于调节正刚度元件3在支承组件中的安装高度。比如，所述高度调节机构7数量为四个，对称分布于底板2四周。所述高度调节机构7包括高度调节螺母和螺柱，所述高度调节螺母与所述螺柱的规格相同，所述高度调节螺母穿过所述螺柱并与正刚度元件3的底部接触，螺柱与底板2固定连接，并且与正刚度元件3不接触，旋转所述高度调节螺母7a即可调节对应连接的正刚度元件3的安装高度，即调节直线式作动器5和被动支承单元的相对高度，使二者有效工作行程的中点在高度上的差别尽量小，以不超过1mm或二者最小工作行程的1/10为佳。在本发明的一个实施例中，高度调节机构7数量为四个，与所述正刚度元件3配合连接并呈正方形布置。导向机构6包括气浮导轨动子和浮导轨定子，其形状为正方形，布置在底板2的中心。
41.所述位移传感器8采用光栅尺位移传感器，包括光栅尺和光栅尺读数头，所述光栅尺安装于所述顶板1上，所述光栅尺读数头安装于底板2上，以减小光栅尺读数头的连接线缆对顶板1的扰动影响，位移传感器8用于检测顶板1与底板2之间相对位移，从而为驱动控制模块10提供相应的反馈信息。直线运动机构9的活动端与底板2固定连接，所述的直线运动机构9采用丝杠直线运动机构，也可以选用液压直线运动机构。
42.驱动模块10接收位移传感器8的反馈信号，控制直线式作动器5和直线运动机构9运动，保证顶板1和底板2之间的相对位移恒定，使被动支承单元刚度近零且形变近零，则顶板1对负载设备的支承力波动近零，以实现负载设备垂向零重力的模拟。所述底座11一端与直线运动机构9固定连接，另一端置于地基或类似的外部基础上。
43.负载设备质量监测组件3包括负载设备控制器和负载质量传感单元12，负载设备控制器与负载质量传感单元相连，负载设备传感单元用于实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器同时还与驱动控制模块相连，工作中，负载设备质量发生变化时，通过负载质量传感单元实时监测负载设备质量消耗量，并将该质量消耗量的信号传递给负载设备控制器，负载设备控制器生成质量变化补偿的前馈力信号，直线式作动器根据该前馈力信号通过顶板对负载设备实时补偿，被动支承单元、直线式作动器、运动跟随组件共同协作。
44.具体的，所述负载质量传感单元12安装于负载设备上，用于监测负载设备的质量变化。所述负载质量传感单元12包括气体压力传感器12a和质量流量计12b，所述气体压力
传感器12a安装于整个负载设备气动系统内部，数量为至少一个，用于监测负载设备气动系统内压力的变化计算出气体质量消耗量，所述质量流量计12b安装于整个负载设备喷气管路中，数量为至少一个，用于直接监测负载设备各个喷气嘴处喷出的气体质量消耗量。所述负载质量传感单元12选用较轻的柔性线缆，以避免给负载设备的零重力(或微低重力)环境模拟带来扰动影响。
45.图2是采用本发明实施例所述装置实现变质量负载的微低重力环境模拟的方法的流程示意图，由图可知，其主要包括如下步骤：
46.s1：在地表重力环境中将待模拟的负载设备放置于顶板上方，调整直线式作动器的发力大小为负载设备在目标微低重力环境下的重力，使被动支承单元承担负载设备的剩余重力；
47.s2：通过高度调节机构改变被动支承单元高度为自身的行程中点，直至被动支承单元的刚度为零；
48.s3：启动直线运动机构，根据位移传感器监测的被动支承单元的高度变化信息，在重力方向使被动支承单元移动，同时使被动支承单元高度变化收敛，使得负载设备具有目标微低重力环境下的加速度；
49.s4：启动直线式作动器，根据位移传感器监测的被动支承单元的高度变化信息，在重力方向对顶板施加作用力，抵消被动支承单元形变造成的波动力，精准保持负载设备具有零重力环境下的加速度；
50.s5：根据负载质量传感单元监测的负载设备的质量变化信息，通过负载设备控制器将质量变化信息反馈至驱动控制模块，通过驱动控制模块改变直线式作动器在重力方向对顶板的作用力大小，抵消负载设备质量变化造成的波动力，使负载设备具有零重力环境下的加速度。
51.实际工程应用中，利用上述零重力环境模拟装置进行模拟的方法和流程如下：
52.计负载设备和零重力环境模拟装置中与其固定连接的顶板1等结构总质量为m，地球表面重力加速度为g。假定须在地球表面模拟零重力环境，并假定模拟的初始条件是负载设备的初始速度为υ0。
53.步骤一：锁定直线运动机构9，关闭直线式作动器5或控制其出力为零，使直线式作动器5施加于顶板1上的作用力大小为f
e0
＝-mg
′
，从而使被动支承单元施加于顶板1上的作用力大小为fk＝-m(g-g
′
)，由此使待模拟的负载设备在重力场g下达到静平衡；通过高度调节机构7和直线式作动器5进行匹配调节，使静平衡状态下顶板1相对于底板2的高度尽量接近被动支承单元的行程中点(设计零点)，计该状态下顶板1相对于底板2的高度为h0；
54.步骤二：改变直线式作动器5的出力大小，使负载设备加速运动至零重力环境模拟的初始速度υ0；在此加速过程中，同时启动直线运动机构9，使底板2保持与顶板1的运动轨迹及运动速度尽可能一致；当底板2和顶板1的运动速度均与设定初始速度v0之间的误差小于允许值时，重置顶板1相对于底板2的高度为h0。当要求初始速度υ0＝0时，可省略步骤二。
55.步骤三：改变直线式作动器5的出力状态，以及直线运动机构的运动状态，使得在模拟时段内任意时刻t，直线式作动器5与被动支承单元施加于顶板1的合力尽可能满足fe(t)+fk(t)＝-m(g-g
′
)，由此使模拟设备(含顶板1等刚性固定结构)所受重力和模拟装置支承力的合力尽可能接近f(t)＝mg
′
，也即处于地球表面的负载设备在地球引力和零重力环
境模拟装置支承力作用下，其动力学行为与重力加速度为g
′
的重力环境中精准一致。
56.为达成步骤三所述的状态，一种可选方案是关闭直线式作动器或控制其出力为零，并利用所述的位移传感器实时检测顶板相对于底板的高度变化，将该检测信号传输至运动跟随组件中的直线运动机构驱动控制模块，由直线运动机构驱动控制模块生成直线运动机构的运动指令，按照合适的控制策略，控制运动平台跟随设备框架作同步运动，也即尽可能使设备框架相对于支承底座的相对高度变化量δh(t)＝h(t)-h0趋近于零，则微低重力环境模拟装置的支承力(被动支承单元的支承力)波动为δf(t)＝ks·
δh(t)＝(k
p
+kn)
·
[h(t)-h0]。
[0057]
为达成步骤三所述的状态，一种优选方案是，利用所述的位移传感器实时检测顶板和底板问的高度变化，一方面将该检测信号传输至直线式作动器驱动控制模块，控制直线式作动器按照如下规则出力：fe(t)＝-δf(t)＝-ks·
δh(t)＝-(k
p
+kn)
·
[h(t)-h0]，也即直线式作动器产生与被动支承单元支承力波动值大小相等、方向相反，从而使地球表面的负载设备在地球引力和微低重力环境模拟装置支承力作用下，其动力学行为与其处于重力加速度为g'的环境中精准一致。
[0058]
为达成步骤三所述的状态，一种优选方案是，一方面事先精准测定近零刚度支承组件中被动支承单元的支承力随顶板-底板相对高度的变化曲线(简称被动支承单元支承力非线性特性)，另一方面事先精准测定近零刚度支承组件中直线式作动器的推力常数随顶板和底板相对高度的变化曲线(简称主动施力单元推力非线性特性)；然后在步骤三中基于实时检测的顶板-底板相对高度变化量δh(t)＝h(t)-h0，依据被动支承单元支承力非线性特性精准确定被动支承单元的实时支承力相对于理想支承力fk＝-m(g-g')的偏差，依据直线式作动器推力非线性精准确定直线式作动器的补偿力控制指令，利用直线式作动器产生精准的补偿力，直线式作动器与被动支承单元并联，使支承力合力精准满足fe(t)+fk(t)＝-m(g-g')，从而精准模拟出重力加速度为g'的微低重力环境。
[0059]
步骤四：根据负载设备的主动操作指令，估计负载设备的质量消耗量δm1(t)，这部分质量消耗量既可以是负载设备喷气带来的气体质量消耗量也可以是其他可能引起质量变化的主动操作。负载设备控制器生成质量变化补偿的前馈力f1(t)＝-δm1(t)
·
g信号，将该信号反馈给驱动模块10，通过驱动模块10控制所述直线式作动器5的出力，即fe(t)＝-δf(t)+f1(t)＝-ks·
δh(t)-δm1(t)
·
g。
[0060]
根据负载质量传感单元12直接或间接地实时监测负载质量变化，获得更加精准的负载设备质量变化δm2(t)，将该监测信号传输至所述负载设备控制器，负载设备控制器融合负载质量传感单元的监测信号并通过一定准则加以自动分析、综合，生成质量变化补偿的前馈力f(t)＝-δm2(t)
·
g信号，以修正直线式作动器5的出力，即fe(t)＝-δf(t)+f2(t)＝-ks·
δh(t)-δm2(t)
·
g，从而更为精准地模拟出重力加速度为g'的微低重力环境。
[0061]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。