一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统
技术领域
本申请涉及航空航天和力学相关领域，具体为一种微重力落塔实验研究设备的开发。
背景技术
微重力落塔实验是一种开展微重力环境实验研究的有效地基实验手段，对发展载人航天、建立空间站以及开发利用外层空间起着关键性的作用。其主要原理是利用落舱(实验实施平台)在落塔或落井内进行自由落体运动从而获得相应的微重力水平(10-5～10-6g,g为重力加速度)，以此实现流体物理、非金属材料燃烧、液体管理等微重力实验研究，进而为航天飞行器载荷搭载实验及其防火技术预研开发提供便利和高效的实验手段。
微重力落塔实验中落舱的提升和释放技术环节将很大程度影响实验精度、实验重复性水平和实验效率。落舱在完成一次自由落体微重力实验后要求实验系统能够迅速地提升落舱并完成下一次实验相应的准备工作，同时保证落舱在提升后能够快速进入自由落体运动的初始静止释放状态。另外落舱在释放环节中要求释放时间能够准确控制，且释放过程对舱体的干扰尽可能小。现有的微重力落塔实验虽然具有微重力水平高、重复性好、试验周期短等优点，然而落舱的悬吊、提升和释放等关键技术环节的整合程度尚有所欠缺，由此导致其每天能够进行的实验次数相对非常有限(如国家微重力实验室百米落塔每天仅可以进行两次微重力落塔实验)，这将直接影响微重力实验的科研和商业效率，综上说明目前微重力落塔实验落舱的悬吊、提升和释放等实验准备和实验实施效率方面尚有待突破和改进。
发明内容
本申请实施例提供一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统，整个机构安装于落塔顶部或落井口所在的地面上，执行落塔提升、对准、释放，改善微重力落塔实验落舱的悬吊、提升和释放效率，从而加快实验的准备进程并提高实验的重复性水平，进而增加在当量时间内的实验次数，并最终提高实验的科研和商业效率。
技术方案：
一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统，包括落塔井1、落舱2和提升对准释放系统。所述提升、对准及释放系统包括导轨组件4、升降台组件5、电磁铁组件6和落舱悬吊组件7。导轨组件4用于为提升、对准及释放系统提供纵向和横向移动；升降台组件5设置在导轨组件4上，用于停放落舱2；电磁铁组件6设置在升降台组件5上，通过电磁作用吸附落舱2，校准落舱2的姿态；落舱悬吊组件7设置在电磁铁组件6上，用于提升和下放落舱2。通过提升、对准及释放系统将落舱2从落塔井1提升，并对落舱2的姿态进行校正，为落舱2的再次释放试验做准备。
所述落塔井1为竖井结构，落塔井1内部尺寸大于落舱2外部尺寸，为落舱2微重力试验提供竖向通道。
所述落舱2包括舱体20、电磁铁吸盘21、对准标杆22和吊耳23。所述舱体20头部为锥形结构，整体呈圆锥体结构。所述电磁铁吸盘21、多个对准标杆22、吊耳23均固接在舱体20的上表面，且多个对准标杆22、吊耳23分布在电磁铁吸盘21的外围。所述对准标杆22呈棒状结构。
所述导轨组件4包括导轨支座、导轨、滑块，水平方向上设置纵向和横向轨道。导轨安装在导轨支座上，滑块安装在导轨上，滑块能够在导轨上移动。
所述升降台组件5安装在导轨组件4之上，水平方向上导轨组件4为升降台组件5提供纵向和横向移动能力。
所述升降台组件5包括升降机50、轴承转盘51、落舱支撑板52、落舱支撑架53、落舱限位导轨54、落舱限位滑块55和落舱限位板56。升降机50包括底座500、升降臂501、上平台502、液压系统503；其中,升降机50通过底座500固定于横向导轨滑块45上，以在横向导轨44上移动；升降臂501为铰接形式的升降机构，连接于底座500、上平台502两个平面之间，升降机50通过升降臂501以实现纵向高度的调整；由液压系统503控制升降臂501升降动作。落舱支撑板52固结在轴承转盘51上，作为舱体20临时着落平台；落舱支撑板52上安装有竖向的落舱支撑架53，与落舱限位导轨54共同组成框架结构；落舱限位滑块55设置在落舱限位导轨54和落舱限位板56之间，为落舱限位板56提供纵向移动；所述落舱限位板56由两块半圆形中空板组成，下部安装在落舱限位滑块55上，实现对落舱2卡紧作用。
所述电磁铁组件6包括电磁铁固定架60、电磁铁导轨支座61、电磁铁导轨62、电磁铁导轨滑块63、电磁铁固定板64和电磁铁65。所述电磁铁固定架60为框架结构，为电磁铁组件6和落舱悬吊组件7提供纵向支撑作用。电磁铁固定板64通过电磁铁导轨滑块63与电磁铁导轨62连接；在电磁铁固定板64下部设置有电磁铁65；并且在电磁铁固定板64上设有多个对准小孔640，并且对准小孔640水平向分布与对准标杆22水平向分布相同，纵向上使得对准标杆22能够穿过对准小孔640。当对准标杆22从对准小孔640穿过时，电磁铁65通电，使得电磁铁65与落舱2的电磁铁吸盘21电磁吸附连接。
所述落舱悬吊组件7用于落舱2垂直提升和下降。落舱悬吊组件7包括吊机支座70、吊机71、主吊索72和分吊索73；吊机支座70设置在电磁铁固定架60上；吊机71设置在吊机支座70上；主吊索72的一端与吊机71机体相连，另一端与分吊索73相连。所述分吊索73与吊耳23连接，通过吊机71的转动，实现落舱2的提升和下降。
一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统，其原理如下：
舱体20通过落舱悬吊组件7向上提升到一定高度，升降台组件5通过导轨组件4移动至舱体20正下方；落舱悬吊组件7下放舱体20，使得落舱2在升降台组件5上进行着陆和停放；通过落舱限位板56对停放后的落舱2进行夹紧和固定操作，使得落舱2在移动过程中保持平稳；通过轴承转盘51和导轨组件4调整落舱2空间位置，使得对准标杆22与对准小孔640对准；进一步升降台组件5上升，对准标杆22穿过对准小孔640，进而电磁铁65通电，电磁铁65与落舱2吸附连接。最后，通过电磁铁组件6中的电磁铁导轨62驱动电磁铁65和落舱2一起移动至落塔井1口的正上方位置，由此快速高效地完成微重力落塔实验的提升、对准以及释放准备工作。
一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统运行如下：
a)人工判断落舱2底部高度是否大于升降台组件5顶部预设高度，当落舱2未达到预设高度时，启动落舱悬吊组件7，提升落舱至预设高度；b)当落舱2移至预设高度时，启动升降台组件5，驱动升降台移动至预设位置，纵向上使得落舱2升降台组件5的中心线重合，然后将落舱2停放至升降台组件5上；c)解除落舱上的分吊索73，启动电磁铁组件6，通过驱动电磁铁导轨滑块63使得电磁铁65移动至预设位置，使得对准标杆22与对准小孔640对准，完成落舱2与电磁铁65的对准动作；d)启动升降台组件5，驱动落舱2垂直向上移动直至落舱上的电磁铁吸盘21与电磁铁65贴合；e)电磁铁65进行通电，驱动电磁铁65将落舱吸住；f)启动升降台组件5，驱动升降台组件5下降并移动恢复至初始位置，由此完成实验的准备工作；g)按实验要求启动落舱2的释放指令，由此关闭电磁铁65的电源，瞬间完成落舱2的释放动作。如此，再启动落舱悬吊组件(7)，提升落舱至预设高度，重复以上过程。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
本发明提供了一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统，可快速高效地完成微重力落塔实验的提升对准工作，进而为落舱的释放即下一轮微重力落塔实验做好准备。
附图说明
图1为实验机构整体结构示意图；
图2为导轨组件的结构示意图；
图3为升降台组件的结构示意图；
图4为电磁铁组件的结构示意图；
图5为落舱悬吊组件和落舱的结构示意图；
图6为实验机构的应用方法流程图
图7为实验机构的应用方法示意图
数字标记注解：
1—落塔井、2—落舱、20—舱体、21—电磁铁吸盘、22—对准标杆、23—吊耳、3—落塔井口所在的地面、4—导轨组件、40—纵向导轨支座、41—纵向导轨、42—纵向导轨滑块、43—横向导轨支座、44—横向导轨、45—横向导轨滑块、5—升降台组件、50—升降机、500—底座、501—升降臂、502—上平台、503—液压系统、51—轴承转盘、52—落舱支撑板、53—落舱支撑架、54—落舱限位导轨、55—落舱限位滑块、56—落舱限位板、6—电磁铁组件、60—电磁铁固定架、61—电磁铁导轨支座、62—电磁铁导轨、63—电磁铁导轨滑块、64—电磁铁固定板、640—对准小孔、65—电磁铁、7—落舱悬吊组件、70—吊机支座、71—吊机、72—主吊索、73—分吊索。
具体实施方式
如图1所示，一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统，包括落塔井1、落舱2和提升对准释放系统。所述提升、对准及释放系统包括导轨组件4、升降台组件5、电磁铁组件6和落舱悬吊组件7。导轨组件4用于为提升、对准及释放系统提供纵向和横向移动；升降台组件5设置在导轨组件4上，用于停放落舱2；电磁铁组件6设置在升降台组件5上，通过电磁作用吸附落舱2，校准落舱2的姿态；落舱悬吊组件7设置在电磁铁组件6上，用于提升和下放落舱2。通过提升、对准及释放系统将落舱2从塔井1提升，并对落舱2的姿态进行校正，为落舱2的再次释放试验做准备。具体方案如下：
所述落塔井1为竖井结构，落塔井1内部尺寸大于落舱2外部尺寸，为落舱2微重力试验提供竖向通道。
如图5所示，所述落舱2包括舱体20、电磁铁吸盘21、对准标杆22和吊耳23。所述舱体20头部为锥形结构，整体呈圆锥体结构，使得舱体20快速下落过程中有利于减小空气阻力，增加微重力水平。所述电磁铁吸盘21固接在舱体20的上表面，用于与电磁铁组件6连接。所述多个对准标杆22布设在舱体20的上表面，且在电磁铁吸盘21的外围，呈棒状结构。所述吊耳23布设在舱体20的上表面，也在电磁铁吸盘21的外围，为落舱悬吊组件7起吊落舱2时的吊索悬挂处。
如图2所示，所述导轨组件4包括导轨支座、导轨、滑块，水平方向上设置纵向和横向轨道。导轨安装在导轨支座上，滑块安装在导轨上，滑块能够在导轨上移动，举例而非限定具体应用时可选择现有技术中的电磁驱动、电机驱动等使得滑块在导轨上移动；所述升降台组件5安装在导轨组件4之上，水平方向上导轨组件4为升降台组件5提供纵向和横向移动能力。具体的导轨组件4包括纵向导轨支座40、纵向导轨41、纵向导轨滑块42、横向导轨支座43、横向导轨44和横向导轨滑块45；纵向导轨支座40设置在落塔井1口所在的地面3上；纵向导轨41设置在纵向导轨支座40上，并且纵向导轨滑块42设置在纵向导轨41上；同理，横向导轨支座43设置在纵向导轨滑块42上；横向导轨44设置在横向导轨支座43上；横向导轨滑块45设置在横向导轨44上；最终实现升降台组件5在水平方向上的自由移动。
如图3所示，所述升降台组件5包括升降机50、轴承转盘51、落舱支撑板52、落舱支撑架53、落舱限位导轨54、落舱限位滑块55和落舱限位板56。纵向上，从上到下依次为落舱限位板56、落舱限位滑块55、落舱限位导轨54、落舱支撑架53、落舱支撑板52、轴承转盘51、升降机50。具体的结构形式如下：轴承转盘51设置在升降机50上，落舱支撑板52设置在轴承转盘51上；落舱支撑架53设置在落舱支撑板52上；落舱限位导轨54设置在落舱支撑架上53上；落舱限位滑块55设置在落舱限位导轨54上；落舱限位板56设置在落舱限位滑块55上。所述升降机50设置在横向导轨滑块45上，能够使得安装在升降机50上部的构件垂直起降；进一步的，升降机50包括底座500、升降臂501、上平台502、液压系统503；其中,升降机50通过底座500固定于横向导轨滑块45上以在横向导轨44上移动；升降臂501为铰接形式的升降机构，连接于底座500、上平台502两个平面之间，升降机50通过升降臂501以实现纵向高度的调整；由液压系统503控制升降臂501升降动作。升降机50用于控制整体高度；所述轴承转盘51能够水平自转；落舱支撑板52固结在轴承转盘51上，作为舱体20临时着落平台；落舱支撑板52上安装有竖向的落舱支撑架53，与落舱限位导轨54共同组成框架结构；落舱限位滑块55设置在落舱限位导轨54和落舱限位板56之间，为落舱限位板56提供纵向移动；所述落舱限位板56由两块半圆形中空板组成，下部安装在落舱限位滑块55上，实现对落舱2卡紧作用。
如图4所示，所述电磁铁组件6包括电磁铁固定架60、电磁铁导轨支座61、电磁铁导轨62、电磁铁导轨滑块63、电磁铁固定板64和电磁铁65。所述电磁铁固定架60为框架结构，为电磁铁组件6和落舱悬吊组件7提供纵向支撑作用。所述电磁铁固定架60设置在落塔井1口所在的地面3上；在电磁铁固定架60上部设置有水平横向电磁铁导轨支座61，电磁铁导轨62设置在电磁铁导轨支座61上；电磁铁固定板64通过电磁铁导轨滑块63与电磁铁导轨62连接；在电磁铁固定板64下部设置有电磁铁65；并且在电磁铁固定板64上设有多个对准小孔640，并且对准小孔640水平向分布与对准标杆22水平向分布相同，纵向上使得对准标杆22能够穿过对准小孔640。当对准标杆22从对准小孔640穿过时，电磁铁65通电，使得电磁铁65与落舱2的电磁铁吸盘21电磁吸附连接。
如图5所示，所述落舱悬吊组件7用于落舱2垂直提升和下降。具体的落舱悬吊组件7包括吊机支座70、吊机71、主吊索72和分吊索73；吊机支座70设置在电磁铁固定架60上；吊机71设置在吊机支座70上；主吊索72的一端与吊机71机体相连，另一端与分吊索73相连。所述分吊索73与吊耳23连接，通过吊机71的转动，实现落舱2的提升和下降。
一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统，其原理如下：
舱体20通过落舱悬吊组件7向上提升到一定高度，升降台组件5通过导轨组件4移动至舱体20正下方；落舱悬吊组件7下放舱体20，使得落舱2在升降台组件5上的着陆和停放；通过落舱限位板56对停放后的落舱2进行夹紧和固定操作，使得落舱2在后续的移动过程中保持平稳；通过轴承转盘51和导轨组件4调整落舱2空间位置，使得对准标杆22与对准小孔640对准，进一步升降台组件5上升，对准标杆22穿过对准小孔640，电磁铁65通电，使得电磁铁65与落舱2通过电磁铁吸盘21电磁吸附连接。进一步，通过电磁铁组件6中的电磁铁导轨62驱动电磁铁65和落舱2一起移动至落塔井1口的正上方位置，由此快速高效地完成微重力落塔实验的提升、对准以及释放准备工作。如此，再启动落舱悬吊组件(7)，提升落舱至预设高度，重复以上过程。
如图6所示，一种微重力落塔实验的提升、对准及释放系统控制流程如下：
a)人工判断落舱2底部高度是否大于升降台组件5顶部预设高度，当落舱2未达到预设高度时，启动落舱悬吊组件7，提升落舱至预设高度；b)当落舱2移至预设高度时，启动升降台组件5，驱动升降台移动至预设位置，纵向上使得落舱2与升降台组件5的中心线重合，然后将落舱2停放至升降台组件5上；c)解除落舱上的分吊索73，启动电磁铁组件6，通过驱动电磁铁导轨滑块63使得电磁铁65移动至预设位置，使得对准标杆22与对准小孔640对准，完成落舱2与电磁铁65的对准动作；d)启动升降台组件5，驱动落舱2垂直向上移动直至落舱上的电磁铁吸盘21与电磁铁65贴合；e)电磁铁65进行通电，驱动电磁铁65将落舱吸住；f)启动升降台组件5，驱动升降台组件5下降并移动恢复至初始位置，由此完成实验的准备工作；g)按实验要求启动落舱2的释放指令，由此关闭电磁铁65的电源，瞬间完成落舱2的释放动作。如此，再启动落舱悬吊组件(7)，提升落舱至预设高度，重复以上过程。
如图7所示，实验机构的工作流程示意图，包括如下5个步骤：①如图7(a)所示，落舱2的提升过程；②如图7(b)所示，升降台组件5的移动调节过程；③如图7(c)所示,电磁铁65的移动调节以及落舱2的对准吸合过程；④如图7(d)所示,升降台组件5的移动调节复位过程；⑤如图7(e)所示,落舱2的释放和自由下落过程。
需要声明的是，本发明的创新在于系统的机构设计和控制流程设计，而支持系统配套运行的电源系统、控制器系统、传感器系统、电机及其驱动器等都是采用通用技术，非创新所在。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
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