本發(fā)明涉及航天器運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種航天器地面仿真用多維連續(xù)噴氣推力裝置。

背景技術(shù)：

航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)在地面進(jìn)行全物理仿真時(shí)要用到噴氣推力模擬裝置，用于在全物理仿真實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)衛(wèi)星控制系統(tǒng)的性能。全物理仿真系統(tǒng)通?；跉飧∨_(tái)構(gòu)建，氣浮臺(tái)的氣浮軸承依靠壓縮空氣形成高壓氣膜將模擬臺(tái)體浮起，進(jìn)而模擬衛(wèi)星在外太空所處的微干擾力矩的運(yùn)行環(huán)境。

通常，噴氣推力模擬裝置固定在氣浮臺(tái)上，其噴氣推力大小固定，方向也固定不變。這樣帶來的問題是：為了獲得不同大小的推力，往往需要配置推力大小不一樣的多臺(tái)噴氣推力器；為了滿足多維度控制，往往也需要配置多臺(tái)噴氣裝置。因此，極大地增加了設(shè)備的復(fù)雜度與模擬成本。此外，由于不能對推力進(jìn)行連續(xù)控制，傳統(tǒng)的噴氣推力模擬裝置不能滿足很多模擬場景的使用需求。

為了對推力進(jìn)行連續(xù)控制，以往是通過脈沖工作方式調(diào)節(jié)氣閥門的開合時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴氣推力的大小。該脈沖控制方式存在的問題是：控制精度不高，適用場景受限。尤其是在需要連續(xù)小推力的行星引力模擬場景中，由于待模擬的引力是一個(gè)一直存在的較小的力，即便通過脈沖控制方式改變噴氣沖量大小，也會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來較大的誤差。

鑒于此，亟需一種能實(shí)現(xiàn)噴氣推力大小的連續(xù)改變、且控制精度高、適用范圍廣的新的噴氣推力裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種能實(shí)現(xiàn)噴氣推力大小的連續(xù)改變、且控制精度高、適用范圍廣的新的噴氣推力裝置。

本發(fā)明提出了一種航天器地面仿真用多維連續(xù)噴氣推力裝置，包括：電機(jī)、進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣量調(diào)整錐、噴氣組件、進(jìn)氣管、外殼；所述噴氣組件由氣閥門、噴氣口組成；

所述電機(jī)與進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，用于驅(qū)動(dòng)進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)前后移動(dòng)；

所述氣量調(diào)整錐設(shè)置在外殼內(nèi)部，所述氣量調(diào)整錐的一端與進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，所述氣量調(diào)整錐的另一端為錐形端，且所述錐形端可部分伸入氣閥門；所述氣量調(diào)整錐用于在進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下調(diào)節(jié)錐形端伸入氣閥門的長度；

所述氣閥門與氣量調(diào)整錐的錐形端相配合，用于調(diào)節(jié)噴氣口的噴氣沖量；所述噴氣口的一端與氣閥門相連，所述噴氣口的另一端與外殼外部連通；所述進(jìn)氣管設(shè)置在外殼外部，且所述進(jìn)氣管的一端與外殼內(nèi)部連通。

優(yōu)選的，所述進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：絲杠、螺母；所述螺母固定設(shè)置在絲杠上，并且可繞絲杠旋轉(zhuǎn)；所述電機(jī)帶動(dòng)所述螺母旋轉(zhuǎn)，所述螺母通過旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)所述絲杠相對氣閥門前后移動(dòng)。

優(yōu)選的，所述裝置還包括：偏航調(diào)節(jié)組件、俯仰調(diào)節(jié)組件；所述偏航調(diào)節(jié)組件設(shè)置在俯仰調(diào)節(jié)組件的下方，用于調(diào)節(jié)裝置的偏航角；所述俯仰調(diào)節(jié)組件與外殼下部、偏航調(diào)節(jié)組件分別相連，用于調(diào)節(jié)裝置的俯仰角。

優(yōu)選的，所述偏航調(diào)節(jié)組件包括：由上至下依次設(shè)置的偏航框架、偏航軸承副、偏航基臺(tái)；其中，所述偏航軸承副與偏航框架、偏航基臺(tái)分別相連。

優(yōu)選的，所述俯仰調(diào)節(jié)組件包括：由上至下依次設(shè)置的俯仰框架、俯仰軸承副；所述俯仰框架與所述偏航框架相互垂直設(shè)置，且所述俯仰框架通過俯仰軸承副與偏航框架相連。

優(yōu)選的，所述氣量調(diào)整錐的錐形端的斜率k滿足：

0.2≤k≤1。

優(yōu)選的，所述噴氣口為喇叭形噴氣口。

優(yōu)選的，所述裝置還包括控制器；所述控制器與電機(jī)相連，用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的，所述裝置還包括安裝基座；所述安裝基座設(shè)置在所述偏航調(diào)節(jié)組件的下方，用于將所述裝置安裝至目標(biāo)設(shè)備上。

從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的航天器地面仿真用多維連續(xù)噴氣推力裝置，主要包括：電機(jī)、進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣量調(diào)整錐、噴氣組件、進(jìn)氣管、外殼；噴氣組件由氣閥門、噴氣口組成；電機(jī)與進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，用于驅(qū)動(dòng)進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對氣閥門前后移動(dòng)；氣量調(diào)整錐設(shè)置在外殼內(nèi)部，其一端與進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，另一端為錐形端，且錐形端可部分伸入氣閥門；氣量調(diào)整錐可在進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下調(diào)節(jié)錐形端伸入氣閥門的長度；氣閥門與氣量調(diào)整錐的錐形端相配合，用于調(diào)節(jié)噴氣口的噴氣沖量。通過進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣量調(diào)整錐、氣閥門等組件相互配合，本裝置可對輸出的噴氣推力進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。與現(xiàn)有技術(shù)中采用脈沖控制的噴氣推力裝置相比，本裝置的控制精度更高、適用場合更廣泛。

附圖說明

通過以下參照附圖而提供的具體實(shí)施方式部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加容易理解，在附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的多維連續(xù)噴氣推力裝置的組成示意框圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中氣閥門與氣量調(diào)整錐的第一種配合狀態(tài)；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中氣閥門與氣量調(diào)整錐的第二種配合狀態(tài)；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中偏航調(diào)節(jié)組件、俯仰調(diào)節(jié)組件的組成示意框圖；

1、電機(jī)；2、進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；3、氣量調(diào)整錐；4、氣閥門；5、噴氣口；6、外殼；7、進(jìn)氣管；8、俯仰調(diào)節(jié)組件；9、偏航調(diào)節(jié)組件；10、安裝基座；201、螺母；202、絲杠；801、俯仰框架；802、俯仰軸承副；901、偏航基臺(tái)；902、偏航軸承副；903、偏航框架。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。對示例性實(shí)施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應(yīng)用或用法的限制。

本發(fā)明的發(fā)明人在進(jìn)行航天器運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的噴氣推力模擬裝置存在以下缺陷：(1)、產(chǎn)生的噴氣推力大小固定，要想獲得不同大小的推力，則需要配置多臺(tái)推力大小不一樣的噴氣推力器；(2)、產(chǎn)生的噴氣推力方向固定，要想進(jìn)行多維度控制，則需要在多個(gè)維度配置多臺(tái)噴氣裝置；(3)、采用脈沖工作方式輸出噴氣推力的控制精度較低，難以滿足很多模擬場景的需求。

鑒于此，本發(fā)明的發(fā)明人提出了一種新的噴氣推力裝置，以在實(shí)現(xiàn)噴氣推力連續(xù)改變的基礎(chǔ)上，提高連續(xù)控制的精度、增強(qiáng)噴氣推力裝置的適用性。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明中的航天器地面仿真用多維噴氣推力裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例中的噴氣推力裝置的組成示意框圖。從圖1可見，該噴氣推力裝置主要包括：電機(jī)1、進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、氣量調(diào)整錐3、噴氣組件、外殼6、進(jìn)氣管7。其中，所述噴氣組件由氣閥門4、噴氣口5組成。

電機(jī)1與進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2相連，用于驅(qū)動(dòng)進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2前后移動(dòng)。在具體實(shí)施時(shí)，電機(jī)1可設(shè)置在外殼6內(nèi)部，也可設(shè)置在外殼6外部。進(jìn)一步的，為了便于對電機(jī)進(jìn)行設(shè)置，該噴氣推力裝置還可包括控制器。在使用時(shí)，將所述控制器與電機(jī)1相連，即可通過控制指令對電機(jī)進(jìn)行設(shè)置。

進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2與氣量調(diào)整錐3相連，用于帶動(dòng)氣量調(diào)整錐3相對氣閥門4的前后移動(dòng)。在本實(shí)施例中，進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2具體為絲杠進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。從圖2、圖3可見，該絲杠進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括：絲杠202、螺母201。其中，螺母201固定設(shè)置在絲杠202上，并且可繞絲杠202旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)1帶動(dòng)螺母201旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母201可帶動(dòng)絲杠202相對氣閥門4前后移動(dòng)。需要指出的是，以上絲杠進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)只是本發(fā)明中的一種可選的進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成形式。在具體實(shí)施時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可根據(jù)需要采取其他組成形式的進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

氣量調(diào)整錐3設(shè)置在外殼6內(nèi)部。氣量調(diào)整錐3的一端與進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2相連，氣量調(diào)整錐3的另一端為錐形端，且所述錐形端可部分伸入氣閥門4，用于在進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2的帶動(dòng)下調(diào)節(jié)錐形端伸入氣閥門4的長度。在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，氣量調(diào)整錐3與氣閥門4共軸設(shè)置，其錐形端指向氣閥門的中心。

氣閥門4設(shè)置在氣量調(diào)整錐3的錐形端附近。噴氣口5的一端與氣閥門4相連，噴氣口5的另一端與外殼6外部相連通。通過氣閥門4與氣量調(diào)整錐3的錐形端的配合，可調(diào)節(jié)噴氣口5的噴氣沖量。進(jìn)氣管7作為整個(gè)噴氣推力裝置的氣源輸入口，其設(shè)置在外殼6外部、且進(jìn)氣管7的一端與外殼6內(nèi)部連通。在具體實(shí)施時(shí)，噴氣口6可優(yōu)先選取喇叭形的噴氣口。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)電機(jī)1帶動(dòng)進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2前后移動(dòng)時(shí)，氣量調(diào)整錐3的錐形端伸入氣閥門4的長度也隨之改變，進(jìn)而使得氣閥門的開合度也發(fā)生改變。具體來說，當(dāng)電機(jī)1帶動(dòng)進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2向前移動(dòng)時(shí)，氣量調(diào)整錐3的錐形端伸入氣閥門4的長度變長，此時(shí)氣閥門4的開度變小，使得噴氣口5的噴氣沖量變小。當(dāng)電機(jī)1帶動(dòng)進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2向后移動(dòng)時(shí)，氣量調(diào)整錐3的錐形端伸入氣閥門4的長度變短，此時(shí)氣閥門4的開度變大，使得噴氣口的噴氣沖量變大。這樣一來，本發(fā)明可通過進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣量調(diào)整錐、氣閥門等器件的配合，實(shí)現(xiàn)噴氣推力大小的連續(xù)調(diào)節(jié)。與以往通過脈沖控制氣閥門的開合時(shí)間進(jìn)而調(diào)節(jié)噴氣沖量的方式不同，本裝置是通過控制氣閥門的開合度來調(diào)節(jié)噴氣沖量，因而本裝置的控制精度更高、適用范圍更廣。

為了便于對氣閥門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可在控制器中預(yù)先存儲(chǔ)氣閥門的開度與氣量調(diào)整錐的運(yùn)行距離之間的映射關(guān)系表，和/或，氣閥門的開度變化率與氣量調(diào)整錐的運(yùn)行速度之間的映射關(guān)系表。其中，氣閥門的開度w與氣量調(diào)整錐的運(yùn)行距離x滿足如下公式：式中，k為氣量調(diào)整錐的錐形端的斜率，D為氣閥門的開口直徑。氣閥門的開度變化率η與氣量調(diào)整錐的運(yùn)行速度v滿足如下公式：式中，D為氣閥門的直徑，k為氣量調(diào)整錐的錐形端的斜率，v為氣量調(diào)整錐的運(yùn)行速度。根據(jù)上述公式，當(dāng)氣量調(diào)整錐的運(yùn)行速度連續(xù)變化時(shí)，氣閥門的開度隨之連續(xù)變化，進(jìn)而使得噴氣推力連續(xù)改變。與傳統(tǒng)的通過脈沖調(diào)節(jié)氣閥門開合時(shí)間來改變噴氣推力的方法相比，本發(fā)明通過上式改變氣閥門開合度的方法的控制精度更高。為了進(jìn)一步提高連續(xù)控制的精度，還可使氣量調(diào)整錐的錐形端的斜率k滿足以下優(yōu)選范圍：0.2≤k≤1。

更優(yōu)的，為了滿足多維度控制的需求，本發(fā)明實(shí)施例中的噴氣推力裝置還設(shè)置有偏航調(diào)節(jié)組件9、俯仰調(diào)節(jié)組件8。從圖1可見，偏航調(diào)節(jié)組件9設(shè)置在俯仰調(diào)節(jié)組件8的下方，用于調(diào)節(jié)整體裝置的偏航角；俯仰調(diào)節(jié)組件8與外殼6的下部、偏航調(diào)節(jié)組件9分別相連，用于調(diào)節(jié)整體裝置的俯仰角。通過設(shè)置偏航調(diào)節(jié)組件9、俯仰調(diào)節(jié)組件8，能夠?qū)φw裝置的方向進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對噴氣方向進(jìn)行調(diào)整。另外，為了便于將整體裝置安裝到目標(biāo)設(shè)備上，本實(shí)施例中的噴氣推力裝置還包括設(shè)置在偏航調(diào)節(jié)組件9下方的安裝基座10。

圖4示出了一種優(yōu)選的偏航調(diào)節(jié)組件9、俯仰調(diào)節(jié)組件8的組成示意框圖。從圖4可見，偏航調(diào)節(jié)組件9包括：由上至下依次設(shè)置的偏航框架903、偏航軸承副902、偏航基臺(tái)901。其中，偏航軸承副902與偏航框架903、偏航基臺(tái)901分別相連。俯仰調(diào)節(jié)組件8包括：由上至下依次設(shè)置的俯仰框架801、俯仰軸承副802。其中，俯仰框架801與偏航框架903相互垂直設(shè)置，且俯仰框架801通過俯仰軸承副802與偏航框架903相連。通過對偏航調(diào)節(jié)組件、俯仰調(diào)節(jié)組件進(jìn)行以上優(yōu)選設(shè)置，可以利用較少的元器件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的方向控制。

從以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的多維連續(xù)噴氣推力裝置至少具有以下技術(shù)效果：(1)可實(shí)現(xiàn)噴氣推力大小的連續(xù)改變、連續(xù)控制，與傳統(tǒng)的脈沖式的控制方式相比，其控制精度更高，適用范圍更加廣泛；(2)、可實(shí)現(xiàn)噴氣推力方向的改變，可以用較少的元器件進(jìn)行復(fù)雜的方向調(diào)節(jié)；(3)與傳統(tǒng)噴氣推力裝置相比，降低了設(shè)備的復(fù)雜度與模擬所需的成本。

雖然參照示例性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細(xì)描述和示出的具體實(shí)施方式，在不偏離權(quán)利要求書所限定的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述示例性實(shí)施方式做出各種改變。