平面三自由度仿真气浮台及其操作方法
技术领域
本发明属于航天应用技术领域，具体涉及一种平面三自由度仿真气浮台及其操作方法。
背景技术
在航天领域，对空间飞行器入轨前进行有效的地面仿真实验是十分有必要的，目前主要采用的方法是利用多自由度的气浮台进行微重力模拟。具体的，气浮台广泛应用于精密仪器、空间飞行器等航天设备的物理仿真试验中，是物理仿真系统的核心设备，其工作原理为：气浮台依靠压缩空气，在气浮轴承与轴承座之间形成气膜，从而使气浮台浮起，实现近似无摩擦的相对运动条件，由此模拟卫星在太空中所受干扰力矩很小的力学环境。
现有技术中的气浮台，主要具有以下问题：(1)传统的卫星三轴仿真气浮台提供三个转动自由度，一般称为AP平台，不能单独验证试验载荷的平面移动自由度；(2)传统的气浮台，与空间飞行器一体化设计，因此，气浮台不能拆开单独使用，每种型号的空间飞行器均需要设计一套专门的实验气浮台进行仿真，由此导致气浮台的通用性较差；(3)传统的气浮台，往往体积较大，再受到储气量限制，造成仿真时间较短。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种平面三自由度仿真气浮台及其操作方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种平面三自由度仿真气浮台，包括负载支撑单元(100)、螺旋微调单元(200)、高压储气系统(300)和低压供气系统(400)；
所述负载支撑单元(100)包括玻璃纤维载荷平面(101)、碳纤维第一底板(102)、碳纤维第二底板(103)、矩形壳体(104)、水平碳纤维管(105)、装配组合件(106)、斜碳纤维管(107)和竖直碳纤维管(108)；
所述碳纤维第一底板(102)为等边三角形形状，具有三个角点，每个所述角点的上方固定安装所述矩形壳体(104)；所述碳纤维第二底板(103)具有三个呈等边三角形布局的顶角，所述碳纤维第二底板(103)设置于各个所述矩形壳体(104)的上方，并且，所述碳纤维第二底板(103)的每个顶角位置均与所述矩形壳体(104)固定；在所述碳纤维第一底板(102)和所述碳纤维第二底板(103)之间，设置三个呈三角形布局的水平碳纤维管(105)，每个所述水平碳纤维管(105)的一端与所述矩形壳体(104)的侧面固定，每个所述水平碳纤维管(105)的另一端指向三角形中心位置，在所述三角形中心位置设置所述装配组合件(106)，通过所述装配组合件(106)，将三个所述水平碳纤维管(105)的另一端组装固定；
所述玻璃纤维载荷平面(101)水平设置于所述碳纤维第二底板(103)的上方，在所述玻璃纤维载荷平面(101)和所述碳纤维第二底板(103)之间，分散设置三个呈三角形布局的斜碳纤维管(107)，每个所述斜碳纤维管(107)的底部与所述矩形壳体(104)的顶面固定，每个所述斜碳纤维管(107)的顶面与所述玻璃纤维载荷平面(101)固定，并且，所述斜碳纤维管(107)为斜45°碳纤维管；在所述玻璃纤维载荷平面(101)和所述碳纤维第二底板(103)之间，还固定两根所述竖直碳纤维管(108)；
所述螺旋微调单元(200)包括平面气浮轴承(201)、球头螺杆(202)和螺母(203)；每个所述矩形壳体(104)的下方，均水平设置所述平面气浮轴承(201)；所述球头螺杆(202)垂直设置，所述球头螺杆(202)的球头部嵌入到所述平面气浮轴承(201)的中心孔中，所述球头螺杆(202)的螺杆部螺旋旋入到所述矩形壳体(104)的内螺纹孔中，当所述球头螺杆(202)的螺杆部高度调节到位后，在所述球头螺杆(202)的外部旋紧所述螺母(203)；
所述高压储气系统(300)包括高压气瓶(301)、气瓶支架(302)、不锈钢带(303)、快速充气接头(304)、高压气瓶转接头(305)和高压气瓶输气管(306)；对于分别布置于等边三角形顶角位置的三个矩形壳体(104)，在任意两个矩形壳体(104)的连线之间均布置一个所述高压气瓶(301)，因此，高压气瓶(301)的设置数量为三个，分别布置于等边三角形的一条边位置；每个所述高压气瓶(301)通过所述气瓶支架(302)实现与所述碳纤维第一底板(102)和碳纤维第二底板(103)的安装；所述高压气瓶(301)的外面套设所述不锈钢带(303)进一步加强固定；每个所述高压气瓶(301)的瓶口均安装所述高压气瓶转接头(305)，每个所述高压气瓶转接头(305)连接所述高压气瓶输气管(306)的一端，所述高压气瓶输气管(306)的另一端汇聚到总输气管；所述快速充气接头(304)的一端用于与外部气源连接，所述快速充气接头(304)的另一端连接到所述总输气管，用于向各个所述高压气瓶(301)充气；
所述低压供气系统(400)包括集成式双级减压阀(401)、第一截止阀(402)、空气过滤器(403)和第二截止阀(404)；所述集成式双级减压阀(401)安装于平面三自由度仿真气浮台整体结构的中间部位，所述总输气管的供气口与所述集成式双级减压阀(401)的进气口连通；所述集成式双级减压阀(401)的出气口通过所述第一截止阀(402)后，连接到所述空气过滤器(403)的进气口；所述空气过滤器(403)的出气口通过软管，与各个所述平面气浮轴承(201)的进气口连通；所述空气过滤器(403)的出气口还通过所述第二截止阀(404)，与AP平台供气口(405)连通。
优选的，所述玻璃纤维载荷平面(101)开设多个安装孔，采用尼龙螺钉实现所述玻璃纤维载荷平面(101)与待验证的空间飞行器之间的绝缘连接固定。
优选的，所述平面气浮轴承(201)采用石墨多孔材质。
优选的，所述快速充气接头(304)包括高压快速充气公头(304A)和高压快速充气母头(304B)；其中，所述高压快速充气公头(304A)安装于所述负载支撑单元(100)上面，所述高压快速充气母头(304B)通过充气软管与外部气源连接。
优选的，所述高压快速充气公头(304A)安装在快速充气截止阀上面，所述快速充气截止阀再安装到所述碳纤维第一底板(102)的底面。
优选的，三个所述平面气浮轴承(201)所形成的圆直径518mm。
优选的，所述高压气瓶(301)采用铝合金加碳纤维的复合气瓶。
本发明还提供一种平面三自由度仿真气浮台的操作方法，包括以下步骤：
步骤1，将待验证的空间飞行器通过尼龙螺钉固定到玻璃纤维载荷平面(101)的表面；
步骤2，将平面三自由度仿真气浮台放置到操作台面，对各个角点位置的球头螺杆(202)的高度进行微调，进而调节各个平面气浮轴承(201)的高度，最终实现对玻璃纤维载荷平面(101)的水平度的调节，保证玻璃纤维载荷平面(101)的水平度满足操作精度要求；
步骤3，使快速充气接头(304)的一端与外部气源连接，通过外部气源向各个高压气瓶(301)供气，直到充满气为止；
步骤4，对空间飞行器进行物理仿真试验，在进行物理仿真试验的过程中，通过以下方式供气：
三个高压气瓶(301)储存的气体通过总输气管汇聚到一起后，气体通过集成式双级减压阀(401)进行减压，使气体减压到0～1Mpa的范围；然后，减压后的气体通过空气过滤器(403)过滤后，分别输送到各个平面气浮轴承(201)，平面气浮轴承(201)通过微小气孔向下喷出稳定气流，形成气膜，实现气浮；通过平面三自由度仿真气浮台，实现两个平动和一个转动的自由度。
本发明提供的平面三自由度仿真气浮台及其操作方法具有以下优点：
本发明提供的平面三自由度仿真气浮台，实现了两个平动加一个转动的三自由度运动；其体积小，结构紧凑，采用复合材料和特殊的三角形对称构型，整体结构轻，负载能力大；
本发明采用可更换载荷平面设计，只需将待验证的卫星利用工装固定到气浮台的玻璃纤维载荷平面即可进行仿真实验，提高气浮台的通用性。
附图说明
图1为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的气路原理图；
图2为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的俯视简图；
图3为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的侧视简图；
图4为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的整体结构图；
图5为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的侧视结构图；
图6为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的俯视结构图；
图7为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的负载支撑单元的结构图；
图8为本发明提供的球头螺杆和螺母的装配图；
图9为本发明提供的水平碳纤维管及相关部件的位置关系图；
图10为本发明提供的平面三自由度仿真气浮台的仰视图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
本发明提供一种平面三自由度仿真气浮台，属于航天应用领域，主要用于验证卫星运行控制技术的地面模拟仿真实验使用，可以实现两个平动加一个转动的自由度，实现体积小、质量轻、承载范围大、实验时间长的优点。
该平面三自由度仿真气浮台主要能够在高平面度要求的平面上运行，通过自身携带的气瓶内气体喷气，与平面形成空气薄膜，模拟微重力的三自由度仿真实验。该平面三自由度仿真气浮台能够搭载包括但不局限于微小卫星，姿态三轴平台等空间飞行器，可验证空间飞行的控制算法，编队飞行控制算法等。
参考图1、图2、图4-图6，平面三自由度仿真气浮台包括负载支撑单元100、螺旋微调单元200、高压储气系统300和低压供气系统400。下面对各个单元详细介绍：
(一)负载支撑单元100
负载支撑单元100，作为整个气浮台的支架，既要装载各部分部件，同时还要承载负载，本发明采用碳纤维管材和板材，连接件采用铝合金机加工，将碳纤维板与碳纤维管搭接，其中碳纤维管使用夹紧的方式固定，载荷平面由三根斜45°及两根竖直碳纤维管支撑，底面则由碳纤维板和碳纤维管铺成，整体结构也成三角形安装。工艺简单，由于台体的结构上采用三角对称安装，支架也是三角形稳定结构，台体质量轻，结构稳定。
参考图7，负载支撑单元100包括玻璃纤维载荷平面101、碳纤维第一底板102、碳纤维第二底板103、矩形壳体104、水平碳纤维管105、装配组合件106、斜碳纤维管107和竖直碳纤维管108；
碳纤维第一底板102为等边三角形形状，具有三个角点，每个角点的上方固定安装矩形壳体104；碳纤维第二底板103具有三个呈等边三角形布局的顶角，碳纤维第二底板103设置于各个矩形壳体104的上方，并且，碳纤维第二底板103的每个顶角位置均与矩形壳体104固定；在碳纤维第一底板102和碳纤维第二底板103之间，设置三个呈三角形布局的水平碳纤维管105，每个水平碳纤维管105的一端与矩形壳体104的侧面固定，每个水平碳纤维管105的另一端指向三角形中心位置，在三角形中心位置设置装配组合件106，通过装配组合件106，将三个水平碳纤维管105的另一端组装固定；
玻璃纤维载荷平面101水平设置于碳纤维第二底板103的上方，玻璃纤维载荷平面101开设多个安装孔，采用尼龙螺钉实现玻璃纤维载荷平面101与待验证的空间飞行器之间的绝缘连接固定。
在玻璃纤维载荷平面101和碳纤维第二底板103之间，分散设置三个呈三角形布局的斜碳纤维管107，参考图9，每个斜碳纤维管107的底部与矩形壳体104的顶面固定，每个斜碳纤维管107的顶面与玻璃纤维载荷平面101固定，并且，斜碳纤维管107为斜45°碳纤维管；在玻璃纤维载荷平面101和碳纤维第二底板103之间，还固定两根竖直碳纤维管108；
(二)螺旋微调单元200
参考图8和图3，螺旋微调单元200用于对气浮台高度和载荷平面水平度进行调整，包括平面气浮轴承201、球头螺杆202和螺母203；
每个矩形壳体104的下方，均水平设置平面气浮轴承201；球头螺杆202垂直设置，球头螺杆202的球头部嵌入到平面气浮轴承201的中心孔中，球头螺杆202的螺杆部螺旋旋入到矩形壳体104的内螺纹孔中，当球头螺杆202的螺杆部高度调节到位后，在球头螺杆202的外部旋紧螺母203；
其中，平面气浮轴承201起主要的支撑气浮作用，采用石墨多孔材质，通过微小气孔向下喷出稳定气流，形成气膜，实现气浮，为气浮提供稳定的支持力，同时节约用气。
本发明中，平面气浮轴承201与台体之间主要采用球头螺杆202连接，球头螺杆202的球头能够使平面气浮轴承实现垂直受力，减小偏载带来的倾覆力矩；螺杆能够调节台体的高度，螺杆上的螺母起到锁紧作用，三个球头螺杆能够调节气浮台载荷平面的水平度。
(三)高压储气系统300
高压储气系统用于存储压缩气体，主要由三个高压气瓶和连接管路组成。连接管路由不锈钢歧管和连接卡套组成，同时连接管路还设置专门的进气口和截止阀，以便充气。整体能够耐压30MPa以上，三个气瓶呈等边三角形的形式布置在支架上，连接管路从底部穿过，进气口的截止阀设置在底板上。
具体的，参考图2和图4，高压储气系统300包括高压气瓶301、气瓶支架302、不锈钢带303、快速充气接头304、高压气瓶转接头305和高压气瓶输气管306；
对于分别布置于等边三角形顶角位置的三个矩形壳体104，在任意两个矩形壳体104的连线之间均布置一个高压气瓶301，因此，高压气瓶301的设置数量为三个，分别布置于等边三角形的一条边位置；高压气瓶301采用铝合金加碳纤维的复合气瓶。
每个高压气瓶301通过气瓶支架302实现与碳纤维第一底板102和碳纤维第二底板103的安装；高压气瓶301的外面套设不锈钢带303进一步加强固定；参考图10，每个高压气瓶301的瓶口均安装高压气瓶转接头305，每个高压气瓶转接头305连接高压气瓶输气管306的一端，高压气瓶输气管306的另一端汇聚到总输气管；快速充气接头304的一端用于与外部气源连接，快速充气接头304的另一端连接到总输气管，用于向各个高压气瓶301充气；
其中，快速充气接头304包括高压快速充气公头304A和高压快速充气母头304B；其中，高压快速充气公头304A安装于负载支撑单元100上面，高压快速充气母头304B通过充气软管与外部气源连接。更具体的，高压快速充气公头304A安装在快速充气截止阀上面，快速充气截止阀再安装到碳纤维第一底板102的底面。
快速充气接头设计采用一对高压快速接头(公头和母头)，公头安装在台体上，母头安装在充气软管上。在气瓶端和充气端设置截止阀，分别用来截断气流和泄压，防止快速接头的带压力危险拆装，可实现30MPa以下的充气压力。因此，快速充气接头，其作用是连接气泵给气浮台的高压气瓶充入高压气体，包括高压软管，快断接头，泄压阀等；一端与充气泵等气源连接，一端通过快断接头与气浮台的高压气瓶进气口连接，实现快速接断，泄压阀的作用是充气完成后泄压，避免快断接头带压拆卸。
(四)低压供气系统400
低压供气系统400用于将高压气体减压至平面气浮轴承所需气压，主要采用一个能将30MPa气体减至0.5MPa左右的高压集成式双级减压阀，其输出压力范围0～1MPa，此双级减压阀带有泄压阀，通过专门设计的支架，安装在平面气浮台整体结构的中间部位。另外，减压后的气体还通过空气过滤器、油水分离器和多个截止阀后，通过软管连接到各个平面气浮轴承，向平面气浮轴承供气，预留有向AP平台供气的出气口。
具体的，低压供气系统400包括集成式双级减压阀401、第一截止阀402、空气过滤器403和第二截止阀404；集成式双级减压阀401安装于平面三自由度仿真气浮台整体结构的中间部位，总输气管的供气口与集成式双级减压阀401的进气口连通；集成式双级减压阀401的出气口通过第一截止阀402后，连接到空气过滤器403的进气口；空气过滤器403的出气口通过软管，与各个平面气浮轴承201的进气口连通；空气过滤器403的出气口还通过第二截止阀404，与AP平台供气口405连通。三个平面气浮轴承201所形成的圆直径518mm。
作为一种具体实施例，气浮台载荷安装面距离地面的高度在205mm至210mm范围内可调，从图10可以看出，高压管路主要通过固定件固定在碳纤维第一底板的下部。图6为气浮台的俯视图，气浮台水平投影面积不大，三个平面气浮轴承中心所构成圆直径518mm。
本发明提供一种平面三自由度仿真气浮台，具有以下特点：
(1)利用新的材料和构型，在自重较低的条件下实现较大的承载力，减少气浮台体自重对飞行器模拟时产生的转动惯量的影响，延长实验时间。
(2)利用新型复合材料的高压气瓶和高精度双级集成式减压阀，增加单位气瓶的储气压力，携带更多的气体，实现较长的仿真时间，同时双级减压阀能够将高压气体减至0～1MPa的可调节供气压力范围，适应多种气浮轴承安装。
(3)实现卫星与气浮台体的分立，待验证的卫星可直接通过尼龙螺钉安装在玻璃纤维载荷平面上，方便拆卸，成本较低，平面气浮台结构简单，一个平面气浮台可为多种空间飞行器提供实验验证，实现接近实物的物理仿真，使实验更加可靠。
(4)可与姿态三轴平台(AP平台)组合拆分，分别可以验证平面三自由度，空间旋转自由度，以及组合成五自由度的实验气浮台，实现一台多用。
(5)气浮台整体支撑结构采用碳纤维和玻璃纤维复合材料型材，连接处使用铝合金加工件，既提高结构的强度刚度，同时实现较低的成本。平面气浮台的供气系统采用三个高压储气罐设计，整体容积达7.5L以上，整体构型三角对称设计，负载支撑结构上充分利用三角形的结构，减少自身重量提高稳定性。
(6)气浮台的载荷安装平面使用玻璃纤维材料，与主体结构的连接使用尼龙螺钉，绝缘设计，减少气浮台体导电结构对试验载荷的干扰。
(7)从俯视图方向看，三个高压气瓶呈等边三角形安装，分别安装在两个平面气浮轴承的连接线上，减压阀安装在台体的中部，气浮轴承及球头调节螺杆则安装在等边三角形的三个角点位置。
其中，快速接头安装在截止阀上，截止阀再安装在底板上，高压管路也主要安装在底板上；球头调节螺杆安装在三个角预留的螺纹通孔内，可上下调节高度；平面气浮轴承安装在球头螺杆下部；高压气瓶通过不锈钢带固定，安装在底板上的气瓶安装支架上；空气过滤器及截止阀开关则通过3D打印的零件，安装在机架的碳纤维管上；双级集成式减压阀通过底板上的铝合金支架，安装在底板中间位置。
需要说明的是，在台体的充气完成后，关闭快速接头上的截止阀，充气管内仍然存有高压气体，此时应先打开充气管路的泄压阀泄压，禁止在高压条件下分离快速接头。
本发明还提供一种平面三自由度仿真气浮台的操作方法，包括以下步骤：
步骤1，将待验证的空间飞行器通过尼龙螺钉固定到玻璃纤维载荷平面101的表面；
步骤2，将平面三自由度仿真气浮台放置到操作台面，对各个角点位置的球头螺杆202的高度进行微调，进而调节各个平面气浮轴承201的高度，最终实现对玻璃纤维载荷平面101的水平度的调节，保证玻璃纤维载荷平面101的水平度满足操作精度要求；
步骤3，使快速充气接头304的一端与外部气源连接，通过外部气源向各个高压气瓶301供气，直到充满气为止；
步骤4，对空间飞行器进行物理仿真试验，在进行物理仿真试验的过程中，通过以下方式供气：
三个高压气瓶301储存的气体通过总输气管汇聚到一起后，气体通过集成式双级减压阀401进行减压，使气体减压到0～1Mpa的范围；然后，减压后的气体通过空气过滤器403过滤后，分别输送到各个平面气浮轴承201，平面气浮轴承201通过微小气孔向下喷出稳定气流，形成气膜，实现气浮；通过平面三自由度仿真气浮台，实现两个平动和一个转动的自由度。
与传统的旋转三自由度平台相比，本发明提供的平面三自由度仿真气浮台及其操作方法，具有以下优点：
本发明提供的平面三自由度仿真气浮台，实现了两个平动加一个转动的三自由度运动；其体积小，结构紧凑，采用复合材料和特殊的三角形对称构型，整体结构轻，本体结构在15kg以下，负载能力大，可负载100kg以上，区别于传统的铝合金平面设计；
本发明采用可更换载荷平面设计，只需将待验证的卫星利用工装固定到气浮台的玻璃纤维载荷平面即可进行仿真实验，提高气浮台的通用性；
本发明采用一种高精度集成式双级减压阀，体积小，质量轻，效率高，能够有效的将30MPa气体降至0～1MPa；采用石墨多孔材质的平面气浮轴承，耗气量小，能够提供稳定的支撑力；采用铝合金内胆复合材料包裹的高压气瓶，采用高压不锈钢卡套和不锈钢管作为高压连接管路，搭载的气体气压能够加载到30MPa，能够存储更多的气体，有效将实验时间延长到60分钟以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
