一种地下真空管弹射式微重力实验装置及实验方法

本发明涉及空间，具体涉及一种地下真空管弹射式微重力实验装置及实验方法。

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/落管式微重力装置是将被测物体从高处以初始速度为0的方式自由下落，下落的过程中实验舱体内为微重力环境，实验时间一般较短，目前最大10s。

4、电磁弹射/电磁上抛式微重力装置是利用直线电机或类似的驱动器将实验舱进行加速、上抛、下落、回收的过程，其中上抛和下落的过程就是微重力时间，此上抛下落过程非传统意义的绝对自由上抛下落，而是需要直线电机/其他驱动装置全程参与控速克服摩擦力或风阻的影响。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、失重飞机式微重力装置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、航天飞机器式微重力装置主要是指通过卫星、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作为驱动装置1，两个或多个动子3与中间的实验舱体2连接，动子带动实验舱体2进行微重力实验。实验舱体2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，在实验舱体2的自由上升和自由下落的过程是微重力环境。受到系统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，进行力补偿，抵消或削减摩擦力或空气阻力的影响，如图1所示。这种结构不但较为复杂并且各个系统的功能耦合较严重，在工程实践中对土木建设、设备安装、实验舱、直线电机的设计都会均摊技术指标，比如直线度、相对位置精度、隔振能力指标等这些技术指标容易导致土木建设难度陡然加大甚至无法施工，设备安装也极难实现高精度技术指标，经济成本增大等。具体缺陷为：(1)两/多列驱动装置的直线度和平行度在施工层面极难把握，随着长度的增加施工难度大幅度提升。(2)两/多列驱动装置工作时存在速度不一致情况，后期极难压制速度差或位置差。并且速度越快差异和控制难度越大。速度不同步问题对微重力测试造成较大负面影响。(3)两/多列驱动装置，设备造价及安装费用增倍。(4)技术参数有较多耦合，振动不易有效分离和隔离处理。(5)地面设备建设往往会被“限高”要求限制，而想获得较长的为重力时间就需要较长的距离(微重力时间与自由上抛距离成正比)。

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，提供了一种地下真空管弹射式微重力实验装置及实验方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种地下真空管弹射式微重力实验装置，包括地上部分和地下部分，所述地上部分包括调试控制区、实验载荷及设备更换安装区，所述调试控制区位于所述实验载荷及设备更换安装区的一侧；所述地下部分包括真空泵组安装区和真空竖井，所述实验载荷及设备更换安装区位于所述真空竖井的上方且与所述真空竖井之间设有竖井真空舱门，所述真空泵组安装区位于所述真空竖井的一侧，所述真空泵组安装区内设有用于真空竖井和实验载荷及设备更换安装区抽真空的真空泵组；

3、所述真空竖井内设有一列实验舱运行驱动机构和实验舱，所述实验舱运行驱动机构向上延伸至所述实验载荷及设备更换安装区内，所述实验舱安装在所述实验舱运行驱动机构上并在实验舱运行驱动机构的驱动下竖直运行。

4、本发明的有益效果是：本发明的地下真空管弹射式微重力实验装置，利用地面以下超长距离竖直方向更容易施工的优势，一般也无深度限制要求，可以实现地下100m以上，甚至1000米以上的弹射距离，能够实现更长的微重力时间，解决地面用大型超高速微重力实验装置(竖直安装长度大于100米，运行最大速度≥100m/s)的设备建造难度和技术耦合问题，简化系统布局方案，降低设计、制造和施工难度。

5、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

6、进一步，所述实验舱运行驱动机构包括单列或多列驱动机构，所述驱动机构为电磁驱动机构或电机驱动机构。

7、采用上述进一步方案的有益效果是：采用单列驱动机构安装，降低了设备安装调试难度；单列电机安装基础施工，降低了土木施工难度，减少了设备技术耦合，无多列驱动装置同步问题。采用多列驱动机构安装，能够保证足够的弹射作用力。

8、进一步，所述地下部分还包括第一地下检修区和多个第二地下检修区，所述第一地下检修区位于所述调试控制区的下方，多个第二地下检修区沿所述真空竖井的竖直方向依次间隔排布在真空竖井的一侧，所述真空竖井的底部设有一个第二地下检修区。

9、进一步，所述真空泵组安装区位于所述第一地下检修区的下方。

10、进一步，所述第一地下检修区与所述调试控制区之间设有出入口，多个第二地下检修区靠近真空竖井的一侧分别设有检修舱门。

11、采用上述进一步方案的有益效果是：地下检修区有必要的检修设备和工具，检修舱门在检修和设备安装时期可以打开，方便设备检修。真空泵组安装区和地下检修区不抽真空，工作人员可以随时进入调试。

12、进一步，所述地下部分还包括电梯，所述电梯上端与所述第一地下检修区连通，所述电梯的侧部分别与多个第二地下检修区连通。

13、进一步，所述真空竖井的底部还设有安全防护区。

14、进一步，所述调试控制区包括实验载荷准备调试区、供电设施区和系统控制监控区，所述实验载荷准备调试区设置在所述真空竖井的一侧，所述实验载荷准备调试区靠近真空竖井的一侧设有载荷更换区真空门；所述供电设施区和系统控制监控区均位于所述真空竖井的另一侧，所述供电设施区内的供电设备通过供电线缆和控制线缆与实验舱运行驱动机构连接，所述系统控制监控区与供电设备电连接。

15、一种地下真空管弹射式微重力实验方法，采用上述一种地下真空管弹射式微重力实验装置实现，包括以下步骤：

16、s1，将竖井真空舱门关闭，对实验载荷及设备更换安装区充气到正常大气压，将调试控制区与实验载荷及设备更换安装区连通，将实验载荷装入实验舱内，将实验舱与实验载荷之间抽真空，使实验载荷处于真空环境中；

17、s2，将调试控制区与实验载荷及设备更换安装区隔断，对实验载荷及设备更换安装区抽真空，将竖井真空舱门打开，通过实验舱运行驱动机构将实验舱送到真空竖井的底部，将真空竖井内保持一定真空度；

18、s3，当实验舱处于待发射状态后，控制实验舱运行驱动机构驱动实验舱竖直向上运行；

19、s4，实验舱在实验舱运行驱动机构的推力作用下高速向上弹射，实验舱达到设定速度时，此时实验舱位于a点，实验舱运行驱动机构的理论推力为0，使实验舱和实验载荷做自由上抛运动，由于实验舱(受到导轨摩擦力)的上抛速度会低于实验载荷的上抛速度，当实验舱达到a点(也就是理论推力为0时的高度)后，实验舱运行驱动机构对实验舱进行推力补偿，让实验舱保持与实验载荷一定距离的同时跟随实验载荷运动，使实验舱与实验载荷互不接触；当实验舱与实验载荷互不接触后对实验载荷来说属于微重力环境。

20、s5，当实验舱下落时应持续保持实验舱与实验载荷互不接触状态，此时对于实验载荷来说属于微重力环境；当实验舱下落回到a点时，实验舱运行驱动机构施加向上的推力为实验舱减速，在减速过程中，实验舱逐渐靠近并接住实验载荷，最终实验舱与实验载荷以相同的速度共同下降到发射初始位置。

21、本发明的有益效果是：本发明的地下真空管弹射式微重力实验方法，可实现实验舱内实验载荷在地下弹射实验的有效稳定进行。