一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统的制作方法

本实用新型属于空间操控及其地面试验模拟技术领域，具体涉及一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统。

背景技术：

当前包括失效卫星在内的轨道碎片占空间目标的绝大部分，不仅占据宝贵的轨道资源，而且对其他正常在轨航天器带来安全风险，需要通过近距离操控手段对其进行在轨服务或主动移除。然而，失效卫星一般处于自旋状态，并由于长期摄动影响伴有进动和章动属性，旋转速度有的高达近百度每秒。为保证后续操控任务的顺利实施，首先对失效卫星进行姿态消旋是必不可少的环节。

相比机械臂、减速刷、空间绳系等接触式消旋手段，以电磁-涡流为代表的非接触消旋方法以更佳的安全性和便利性成为首选。但由于电磁-涡流的消旋作用是较微弱的(消旋力矩在几十至百mnm量级)、长时间的(数小时乃至数十小时)作用，因此在地面开展物理仿真试验时，一方面需要构建满足消旋需求的、足够大场强的可控电磁场，另一方面需要尽可能模拟出空间目标的长时间自由旋转状态以及电磁-涡流作用下的消旋制动效果。这就为地面试验系统设计带来一系列挑战。

对于微摩擦平台，磁悬浮与气浮是当前应用的主要方式。但对于旋转目标的电磁-涡流消旋试验，磁悬浮的磁场作用会对电磁场产生干扰，而气浮也需要选择高精度气浮手段以避免气浮摩擦湮没电磁消旋作用，并且为了实现目标的长时间无控旋转，需要有效减小环境大气摩阻。此外，对于电磁场发生装置，传统常导线圈产生的磁场强度有限，而永磁体无法实现磁场灵活控制，因此有必要基于高温超导材料进行设计。目前针对目标消旋试验模拟以及电磁消旋力测试平台等已形成相关专利，具有一定参考意义，但均无法完全兼顾以上两方面因素，需要完整考虑电磁-涡流消旋的物理特性进行综合设计。

技术实现要素：

为了解决现有试验系统与平台存在无法兼顾可控大场强电磁场生成与长时间微摩擦自由旋转状态模拟的问题，本实用新型提供一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，包括电磁场发生装置、真空容器、旋转机构以及空间目标模拟件，所述空间目标模拟件设置在真空容器中，所述真空容器的侧边设置有电磁场发生装置，产生电磁场；所述旋转机构包括喷气机构、风叶轮以及高精度空气轴承，空间目标模拟件的底部设置有定位锥，定位锥与高精度空气轴承连接进而实现空间目标模拟件与高精度空气轴承的固定连接，风叶轮安装在高精度空气轴承底部中心，喷气机构设置在风叶轮的侧边且其喷气嘴对准风叶轮，喷气嘴喷气带动风叶轮转动，进而带动与高精度空气轴承固定连接的空间目标模拟件开始旋转，模拟在真空环境中自由旋转的空间目标。

作为本实用新型的优选方案，所述电磁场发生装置包括电磁执行器、伺服转台、转台支架和伺服导轨，所述电磁执行器固定在伺服转台上，由伺服转台实现电磁执行器的旋转控制。伺服转台通过转台支架安装在伺服导轨上方，转台支架能够沿伺服导轨的导轨方向移动，进而驱动电磁执行器实现直线运动控制。

作为本实用新型的优选方案，所述真空容器包括真空罩体和塔式多层盖板，所述真空罩体顶面由塔式多层盖板密封。进一步地，塔式多层盖板包括多层盖板与自锁紧螺栓，多层盖板呈塔式叠布，多层盖板通过中央的自锁紧螺栓紧固在一起。真空罩体底部置于安装平台上对应开设的密封槽内，其中密封槽内放置epdm橡胶密封条。进一步地，安装平台上开设有安装高精度空气轴承的安装通孔，高精度空气轴承安装在安装平台中心。空间目标模拟件与定位锥沿轴线固连，定位锥垂直插入高精度空气轴承的锥套中，并通过锥套锁紧机构实现定位锥与高精度空气轴承之间垂直方向的固定，进一步地，所述安装平台为大理石平台，所述大理石平台上开设有抽气孔，实现对真空罩体内空间抽真空。高精度空气轴承与大理石平台之间设置有动密封泄气口，高精度空气轴承通气后，通过动密封泄气口排出空气，使空气尽可能少进入真空罩体内空间。

所述安装平台位于旋转平台支架的上方，安装平台与旋转平台支架之间布设有多个水平微调块，通过多个水平微调块调整安装平台水平。

作为本实用新型的优选方案，喷气机构的喷气嘴包括起旋左气嘴和起旋右气嘴，起旋左气嘴和起旋右气嘴连通高压气源，起旋左气嘴和起旋右气嘴平行安装在喷气支架上且分设在风叶轮的左右两侧。起旋左气嘴和起旋右气嘴对风叶轮喷气，使空间目标模拟件缓慢起旋，模拟在真空环境中自由旋转的空间目标。

作为本实用新型的优选技术方案，还包括设置在风叶轮一侧的激光转速计，所述风叶轮的叶片上设置有黑白分度标记，激光转速计对准风叶轮叶片上的黑白分度标记，用于测量空间目标模拟件的实时转速。激光转速计可以安装在旋转平台支架上的适当位置。

作为本实用新型的优选方案，所述电磁执行器是基于高温超导材料绕制而成的电磁线圈，并带有冷却装置用于维持超导线圈工作的低温环境，通过低电压大电流电源对其供电，能够实现同等常导(材料)线圈尺寸下生成更大的可控电磁场。

作为本实用新型的优选方案，所述空间目标模拟件为铝合金结构，形状为圆柱壳体或球壳体。

作为本实用新型的优选方案，所述高精度空气轴承为带空气动密封结构的高精度空气轴承，其轴向承载≥60kg，径向承载≥10kg，径向回转误差≤1.0μm，轴向回转误差≤1.0μm，同轴度≤2.0μm，供气压力0.5-0.7mpa。空气动密封结构的真空度≤100pa。

作为本实用新型的优选方案，所述定位锥表面圆度≤5μm，锥面全跳动≤8μm，定位锥与高精度空气轴承的锥套配合接触面≥80％，保证安装的同轴度要求。

作为本实用新型的优选方案，所述大理石台为00级大理石平板，并通过水平微调块保证平台的水平度要求(≤0.02mm)。大理石台将空间目标模拟件与金属旋转平台支架分离绝缘，使得电磁场环境下其他金属部件对目标消旋无影响。

作为本实用新型的优选方案，所述真空罩体与塔式多层盖板均采用透明的10mm厚pc材料制作，保证透光性要求(便于试验效果观看)与绝缘性要求(非金属导体)的同时，具有较好的韧性与强度特性，保证抽真空时真空罩形变在强度容许范围内。真空罩体放置在大理石台上的密封槽上，密封槽内放置epdm橡胶密封条，抽真空时自然形成密闭空间。

本实用新型所述起旋左气嘴与起旋右气嘴平行相对安装，分别对准风叶轮前后两个扇叶，喷气流量大小可精密调节。

一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验方法，包括以下步骤：

步骤一：将安装有高精度空气轴承的大理石台利用水平尺进行调平，安装空间目标模拟件，再利用水平尺二次调平。

步骤二：轻微转动空间目标模拟件，以千分尺测量空间目标模拟件上顶部边缘跳动，保证目标旋转状态下同轴度不大于0.05mm，然后上紧锥套锁紧机构。

步骤三：放置真空罩，利用真空泵抽真空，至试验设计要求的真空度为止；并在试验过程中利用真空泵不断抽真空以始终维持该真空度。

步骤四：开启喷气机构，喷气嘴对准风叶轮喷气，使空间目标模拟件缓慢起旋，达到并稳定在期望转速后停止喷气。测量空间目标模拟件转速衰减变化，直至空间目标模拟件停止旋转。

步骤五：电磁执行器机动到预先设定的相对位置与姿态，通电产生电磁场，达到设计的所需磁场强度。重新开启喷气机构，喷气嘴对准风叶轮喷气，使空间目标模拟件缓慢起旋，达到并稳定在步骤四的期望转速后停止喷气。测量空间目标模拟件转速衰减变化，直至空间目标模拟件停止旋转。

步骤六：对比步骤四与步骤五的测量结果，分析得到电磁-涡流消旋能力与作用特性。

设定不同的试验所需磁场强度以及空间目标模拟件不同的期望转速，按照步骤一至六的方法，重复试验，可以分析得到不同磁场强度以及期望转速下的电磁-涡流消旋能力与作用特性。

与现有方法相比，本实用新型具有的优点和有益效果包括：

本实用新型给出了一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统方案。利用高精度空气轴承与真空罩组合的方式可实现目标长时间自由旋转状态的有效模拟，同时不会干扰外部磁场作用，适合电磁涡流消旋。同时基于高温超导材料设计的电磁执行器，可实现更大磁场强度需求，伺服导轨与伺服转台满足三自由度电磁消旋试验设计。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统的结构示意图。

图2是本实用新型一实施例中去除真空罩顶部塔式多层盖板的试验系统俯视结构图。

图3是本实用新型一实施例中真空罩结构俯视图。

图例说明：

1为旋转平台支架，2为伺服导轨，3为喷气支架，4为起旋左气嘴，5为起旋右气嘴，6为风叶轮，7为激光转速计，8为转台支架，9为水平微调块，10为伺服转台，11为动密封泄气口，12为高精密空气轴承，13为大理石台，14为定位锥，15为密封槽，16为抽气孔，17为锥套锁紧机构，18为空间目标模拟件，19为真空罩体，20为电磁执行器，21为塔式多层盖板，22为自锁紧螺栓。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1，本实施例提供一种模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验系统，包括旋转平台支架1、伺服导轨2、喷气支架3、起旋左气嘴4、起旋右气嘴5、风叶轮6、激光转速计7、转台支架8、水平微调块9、伺服转台10、动密封泄气口11、高精密空气轴承12、大理石台13、定位锥14，密封槽15，抽气孔16，锥套锁紧机构17，空间目标模拟件18，真空罩体19，电磁执行器20，塔式多层盖板21和自锁紧螺栓22。

所述空间目标模拟件设置在真空容器中，所述真空容器的外侧边设置有电磁场发生装置，产生电磁场。电磁场发生装置包括电磁执行器20、伺服转台10、转台支架8以及伺服导轨2。电磁执行器20固定在伺服转台10上，由伺服转台10实现电磁执行器20的旋转控制；伺服转台10固定在转台支架8的中心，转台支架8在伺服导轨2上方，可沿伺服导轨2的导轨方向移动，进而可驱动电磁执行器20实现直线运动控制。本实施例中，所述伺服导轨2长度1100mm，导轨方向定位精度0.1mm。所述伺服转台10行程-180°～+180°，旋转精度0.1°。所述电磁执行器20基于高温超导材料绕制电磁线圈，并带专用冷却装置用于维持超导材料工作的低温环境，通过低电压大电流电源供电，可实现同等常导线圈尺寸下生成更大的可控电磁场。所述空间目标模拟件18为铝合金结构，形状为圆柱壳体或球壳体，壳体直径偏差≤0.2mm，同心度偏差≤5μm，动平衡标准≤g2.5(按gb/t9239.1-2006/iso1940-1:2003)。

空间目标模拟件18与定位锥14沿轴线固连，定位锥14垂直插入高精度空气轴承12的锥套中，通过锥套锁紧机构17实现垂直方向固定。高精度空气轴承12安装在大理石台13的中央，大理石台13位于旋转平台支架1上方，通过之间的四个水平微调块9调整大理石台水平。风叶轮6安装在高精度空气轴承12底部中心，起旋左气嘴4和起旋右气嘴5平行安装在喷气支架3上，喷气口对准风叶轮6的叶片。激光转速计7安装在旋转平台支架1适当位置，对准风叶轮6叶片上的黑白分度标记，用于测量风叶轮的实时转速。风叶轮6通过高精度空气轴承12带动空间目标模拟件18同步旋转，风叶轮的实时转速即空间目标模拟件18的实时转速。

所述真空容器包括真空罩体19和塔式多层盖板21，所述真空罩体19顶面由塔式多层盖板21密封。塔式多层盖板包括多层呈塔式叠布的盖板，多层盖板之间通过中央的自锁紧螺栓22紧固在一起。真空罩体19底部置于大理石台13上对应开设的密封槽15内，其中密封槽15内放置epdm橡胶密封条。大理石平台上开设有四个抽气孔，真空泵通过四个抽气孔16对真空罩体内空间抽真空，抽真空时自然形成密闭空间。高精度空气轴承与大理石平台之间设置有动密封泄气口11，高精度空气轴承12通气后，通过动密封泄气口11排出空气，使空气尽可能少进入真空罩体内空间。

本实施例中所述高精度空气轴承12为带空气动密封结构的高精度空气轴承，其轴向承载≥60kg，径向承载≥10kg，径向回转误差≤1.0μm，轴向回转误差≤1.0μm，同轴度≤2.0μm，供气压力0.5-0.7mpa。空气动密封结构的真空度≤100pa。

所述定位锥14表面圆度≤5μm，锥面全跳动≤8μm，与高精度空气轴承12的定位锥套配合接触面≥80％，保证安装的同轴度要求。

所述大理石台13为00级大理石平板，并通过水平微调块9保证平台的水平度要求(≤0.02mm)；大理石台13将空间目标模拟件18与金属旋转平台支架1分离绝缘，使得其他金属部件对目标消旋无影响。

所述真空罩体19与塔式多层盖板21均采用10mm厚pc材料制作，保证透光性要求(便于试验效果观看)与绝缘性要求(非金属导体)的同时，具有较好的韧性与强度特性，保证抽真空时真空罩形变在强度容许范围内。真空罩体19放置在大理石台8上的密封槽15上，抽真空时自然形成密闭空间。

所述起旋左气嘴4与起旋右气嘴5平行相对安装在风叶轮的两侧，分别对准风叶轮6前后两个扇叶，喷气流量大小可精密调节。

本实施例中，如图1所示，电磁执行器20基于高温超导材料绕制形成电磁线圈，线圈内直径1m，附带专用冷却装置，整体重量较大，灵活运动受限。故将电磁执行器20固定在伺服转台10上，可实现形成-180°～+180°，精度0.1°的精确旋转控制。伺服转台10通过转台支架8安装在伺服导轨2上方，可沿伺服导轨2的导轨方向做直线移动，进而可驱动电磁执行器20实现1100mm范围内容定位精度0.1mm的精确位置控制。高温超导材料绕制的电磁线圈能够通过更大的电流(本实施例中≤80a)，因此能够生成相比传统常导线圈十余倍乃至几十倍的电磁场。另外通过电流控制，可实现磁场强度的可控精细调整。

电磁消旋的目标由空间目标模拟件18组成，考虑实际航天器材质与结构，采用铝合金圆柱壳体和球壳体模拟空间目标。当空间目标在旋转状态下，电磁执行器的磁场作用会使目标表面产生涡流，进而产生作用于空间目标的电磁消旋力矩。为更准确模拟目标在太空环境中的长时间自由旋转状态，对地面空间目标模拟件18的动平衡特性提出较高要求，按照gb/t9239.1-2006/iso1940-1:2003标准，设计空间目标模拟件18的动平衡标准≤g2.5。此外，由理论分析可知，目标尺寸越大，壳体厚度越大，其在同等磁场强度下产生的电磁消旋力矩越大，但是单纯增加目标尺寸和厚度对消旋时间影响不很明显，不一定达到更好的消旋效果，因此本实施例中空间目标模拟件尺寸为：圆柱壳体高度500mm，直径500mm，厚度6mm；圆球壳直径500mm，厚度6mm。

高精度空气轴承12是模拟空间目标长时间自由旋转的核心部件，为有效减少摩擦，需要在装配空间目标模拟件18后仍然保证不大于数十μm量级的同轴度。定位锥14是空间目标模拟件18与高精度空气轴承12的连接部件，定位锥14固定在空间目标模拟件18底部轴向中心，锥面表面圆度≤5μm，锥面全跳动≤8μm，其垂直插入高精度空气轴承12的配套的定位锥套中，且保证与定位锥套配合接触面≥80％，能满足安装后空间目标模拟件18与高精度空气轴承12沿垂直方向的同轴度要求。安装后利用千分表测量空间目标模拟件18顶部边缘跳动，若偏差较大适当则调整安装角度，直至满足同轴度需求。

空间目标模拟件18在普通大气环境下旋转，尤其转速较高时大气会带来较大的摩擦阻力，一方面会使目标转速快速衰减，另一方面也可能湮没电磁消旋作用。因此真空容器是维持空间目标模拟件18长时间自由旋转的必要装置。

真空容器由真空罩体19，塔式多层盖板21和自锁紧螺栓22构成。为避免干扰消旋电磁场环境，真空罩体19与塔式多层盖板21均采用非导体透明pc材料。如图3所示，塔式多层盖板21利用多层圆形pc板材层叠结构，并利用中央的自锁紧螺栓22实现多层板材紧密贴合，可有效增大抽真空时真空罩顶盖的抗压能力。塔式多层盖板21固定在真空罩体19上方，边缘下扣且与真空罩体19紧密连接。如图1与图2所示，真空罩体19放置在大理石台13的密封槽15上，通过四个抽气孔16抽真空，抽真空时由于真空罩重力与大气压力作用，自然形成密闭空间。

为防止高精度空气轴承12工作时排气破坏真空环境，高精度空气轴承12带迷宫式空气动密封结构，空气沿动密封泄气口11排出，尽可能减少空气进去真空罩内；为维持真空环境，需要监控真空罩内实时真空度，并使真空泵持续工作。

风叶轮6安装在高精度空气轴承12底部中心，起旋左气嘴4和起旋右气嘴5平行安装在喷气支架3上，气口分别对准风叶轮6的前后两叶片，通过喷气流量控制驱动高精度空气轴承12起旋，喷气流量可调节。激光转速计7安装在旋转平台支架1适当位置，对准风叶轮6叶片上的黑白分度标记，当高精度空气轴承12带动空间目标模拟件18旋转时，利用激光转速计7可测得空间目标模拟件18实时转速。

采样上述试验系统，模拟空间目标电磁-涡流消旋的地面试验方法，包括步骤如下：

步骤一：将安装有高精度空气轴承12的大理石台13利用水平尺进行调平，安装空间目标模拟件18，再利用水平尺二次调平，保证空间目标模拟件旋转的水平度。

步骤二：轻微转动空间目标模拟件18，以千分尺测量空间目标模拟件12上顶部边缘跳动，保证目标旋转状态下同轴度不大于0.05mm，然后上紧锥套锁紧机构17。

步骤三：放置真空罩，利用真空泵抽真空，至试验设计要求的真空度为止；并在试验过程中利用真空泵不断抽真空以始终维持该真空度。

步骤四：开启喷气机构，起旋左气嘴4与起旋右气嘴5对准风叶轮喷气，使空间目标模拟件18缓慢起旋，达到并稳定在期望转速后停止喷气。测量空间目标模拟件18转速衰减变化，直至空间目标模拟件18停止旋转。

步骤五：电磁执行器20机动到预先设定的相对位置与姿态，通电产生电磁场，达到设计的所需磁场强度。重新开启喷气机构，旋左气嘴4与起旋右气嘴5对准风叶轮喷气，使空间目标模拟件18缓慢起旋，达到并稳定在步骤四的期望转速后停止喷气。测量空间目标模拟件18转速衰减变化，直至空间目标模拟件18停止旋转。

步骤六：对比步骤四与步骤五的测量结果，分析得到电磁-涡流消旋能力与作用特性。

设定不同的试验所需磁场强度以及空间目标模拟件不同的期望转速，按照步骤一至六的方法，重复试验，可以分析得到不同磁场强度以及期望转速下的电磁-涡流消旋能力与作用特性。

本实施例中，采用高精度空气轴承12浮起大质量的空间目标模拟件18，并通过增加真空罩为空间目标模拟件旋转提供近真空环境，能够实现对目标长时间自由旋转状态的有效模拟，同时不会干扰外部磁场作用，适合电磁涡流消旋。基于高温超导材料设计的电磁执行器，可实现更大磁场强度需求，伺服导轨与伺服转台满足三自由度电磁消旋试验设计。

综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。