一种隔振式电磁弹射式微重力实验装置及其实验方法

本发明涉及空间，具体涉及一种隔振式电磁弹射式微重力实验装置及其实验方法。

背景技术：

1、微重力，是指重力或其它的外力引起的加速度不超过10e-5g～10e-4g。微重力环境，是指在重力的作用下，系统的表观重量远小于其实际重量的环境，不是“零重力”。

2、在地面实现微重力环境是微重力科学研究和实验的基础条件，传统的方式有落塔/落管、电磁弹射/电磁上抛式、失重飞机或航天飞行器。

3、落塔/落管式微重力实验装置是将被测物体从高处以初始速度为0的方式下落，下落的过程中实验舱体102内为微重力环境，实验时间一般较短，最大10s。

4、如图1所示，电磁弹射/电磁上抛式微重力装置是利用直线电机或类似驱动装置100的动力101将实验舱体102进行加速后上抛再下落回收的过程，自由落体(上升和下降)的过程就是微重力时间，此自由落体非传统意义的绝对自由落体，而是需要直线电机全程参与控速克服摩擦力或风阻影响的，在整个上抛和下落过程中驱动器的振动都会对实验载荷有影响，振动的隔离技术极复杂。原理：当物体被上抛下落时，地球的引力(即重力)完全用于产生物体下落的加速度，物体便是处于微重力环境(也是“失重”状态)。

5、失重飞机的是使用专用飞机在空中飞行过程中关闭发动机进行“自由落体”飞行，在下落过程中飞机舱体内为微重力环境，微重力时间约20s，但指标不高。

6、航天飞机器主要是指通过卫星、火箭或空间站在太空轨道实现微重力环境的方法，微重力时间很长，但测试经济成本、技术成本和等待时间成本极高。

7、电磁弹射微重力实验装置的一般结构：将两列电磁驱动装置/直线电机竖直安装在地面，两个或多个动子与中间的真空实验舱连接，动子带动真空实验舱进行微重力实验。

8、真空实验舱体通过弹射的方式实现加速上抛、自由上升、自由下落和减速回收四个过程，在真空实验舱体的自由上升和自由下落的过程是微重力环境。受到系统的摩擦力或空气阻力影响，这里的自由上升和下落不是绝对的“自由”，需要电磁驱动装置/直线电机的实时干预(力补偿，抵消摩擦力或空气阻力的影响)。电磁驱动装置/直线电机不但提供了真空实验舱运行的强大动力也附带了较大的振动干扰。由于真空实验舱和动子的重量较大，并且加速上抛需要施加几倍加速度的力，导致电磁驱动器/直线电机的功率也较大，在通电过程中会产生较大的自身振动，这个振动会通过动子传导给真空实验舱，对真空实验舱内部的微重力指标造成较大影响，对微重力测试来说完全是有害的。这个振动对x、y、z三个方向都有影响，影响最大的是水平方向(x方向和z方向)。y方向可以通过对电磁驱动装置/直线电机的速度控制进行优化压制。这个有害振动的特点：1)从0开始扫频覆盖全域，频率跨度很大，属于扫频。2)振动能量大。3)受电控精度影响，频率有规律性但每次振动曲线不相同，有一定的随机性。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术存在技术问题的一种或几种，提供了一种隔振式电磁弹射式微重力实验装置及其实验方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种隔振式电磁弹射式微重力实验装置，包括驱动机构、动子框体、真空实验舱和导轨，所述驱动机构竖直安装在第一地面机构上，所述导轨竖直安装在第二地面机构上，所述第一地面机构与第二地面机构之间间隔独立布置，所述驱动机构与所述导轨间隔独立布置，所述动子框体安装在所述驱动机构的驱动端，所述真空实验舱通过导向机构与所述导轨连接，所述真空实验舱位于所述动子框体内，所述动子框体的上端内侧和下端内侧分别设有上限位机构和下限位机构，所述上限位机构和下限位机构分别与所述真空实验舱的顶部和底部抵接。

3、本发明的有益效果是：本发明的隔振式电磁弹射式微重力实验装置，通过将驱动机构与导轨之间进行物理形式的空间隔离设计，并将驱动机构与真空实验舱进行物理形式的空间隔离设计，能够大幅度削减驱动机构在运行时的振动传导，实现有效隔振，保证实验数据的精确性。

4、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

5、进一步，所述上限位机构具有上限位平面，所述下限位机构具有下限位平面，所述上限位平面和下限位平面均水平布置，所述上限位平面与所述真空实验舱的顶部抵接，所述下限位平面与所述真空实验舱的底部抵接。

6、采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置上限位平面和下限位平面，与真空实验舱采用点面接触或面面接触，可对真空实验舱进行上下方向的限位，实现只提供推力方向的力，水平方向会产生滑动或移动而释放掉干扰力，从而消除水平方向振动。

7、进一步，所述真空实验舱的顶部为外凸的上圆弧面，所述真空实验舱的底部为外凸的下圆弧面，所述上限位平面与所述上圆弧面抵接，所述下限位平面与所述下圆弧面抵接。

8、采用上述进一步方案的有益效果是：采用上圆弧面和下圆弧面，采用点面接触，可对真空实验舱进行上下方向的点面限位，减少与真空实验舱接触面积，进一步消除水平方向振动。

9、进一步，所述上限位机构为倒t型件，所述下限位机构为t型件。

10、进一步，所述动子框体包括水平布置的上横梁和下横梁，所述上横梁的下表面中间位置设有上限位机构，所述下横梁的上表面中间位置设有下限位机构。

11、进一步，所述第一地面机构包括第一地面基础和第一地下桩基础，所述第一地面基础安装在所述第一地下桩基础的上端，所述驱动机构的下端安装在所述第一地面基础上；所述第二地面机构包括第二地面基础和第二地下桩基础，所述第二地面基础安装在所述第二地下桩基础的上端，所述导轨的下端安装在所述第二地面基础上；所述第一地面基础与第二地面基础相互间隔且独立布置，所述第一地下桩基础与第二地下桩基础相互间隔且独立布置。

12、采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置相互间隔且独立布置的地面基础和地下桩基础，使导轨对应的地面机构和驱动机构对应的地面机构相互间隔独立无接触，实现物理形式的空间隔离设计，大幅削减驱动机构的振动传导。

13、进一步，所述第一地面机构和第二地面机构之间的间隔填充有柔性隔振材料或弹性隔振材料。

14、采用上述进一步方案的有益效果是：采用柔性隔振材料或弹性隔振材料，而且这些隔振材料后期不会固化或凝固，填充位置具有一定的宽度和深度，能够进一步隔离振动。

15、进一步，所述驱动机构包括至少一组电磁驱动装置或至少一组直线电机驱动装置。

16、进一步，所述导轨为至少一组。

17、一种隔振式电磁弹射式微重力实验装置的实验方法，包括以下步骤：

18、s1，将被测的实验载荷放在密封内舱内侧，密封内舱具有密闭功能，将密封内舱放在真空实验舱内侧底部中间位置，然后对真空实验舱进行抽真空处理，此时真空实验舱的速度v＝0。

19、s2，在驱动机构的作用下带动真空实验舱和实验载荷一起加速上升，当到达预定的位置a时达到最大速度，同时解除推力(推力为0)，真空实验舱和实验载荷将继续向上进行自由抛物运动，真空实验舱外侧受到空气阻力和导轨摩擦阻力影响速度会略低于实验载荷，实验载荷在真空环境不受阻力影响将继续向上漂浮并与真空实验舱脱离接触，此时对实验载荷来说属于微重力环境。驱动装置会对真空实验舱进行力补偿(消除空气阻力和摩擦力的影响)，保持真空实验舱与实验载荷一直互不接触。

20、s3，当真空实验舱和实验载荷到达位置最高点时速度v＝0，真空实验舱与实验载荷继续保持互不接触，对实验载荷来说属于微重力环境。

21、s4，真空实验舱和实验载荷受到引力作用向下自由落体运动，并保持互不接触，对实验载荷来说属于微重力环境。

22、s5，当真空实验舱和实验载荷落回到a点时真空实验舱开始减速，实验载荷逐渐靠近真空实验舱底部并接触，在驱动机构的制动作用下一起减速回到初始位置。

23、本发明的有益效果是：本发明的实验方法，能够实现整个装置在实验过程中的有效隔振，实验结果更精准可靠。