從 強(qiáng)

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

人類對太空探索的腳步加深和衛(wèi)星應(yīng)用的快速發(fā)展將空間飛行器技術(shù)不斷向前推進(jìn)，飛行器的尺寸越來越大，對能源的需求不斷增加，對天線的增益和精度要求大幅提高，同時(shí)伴隨著諸如大型太空望遠(yuǎn)鏡、在軌裝配、星際航行、太空武器等新需求的出現(xiàn)，對增強(qiáng)運(yùn)載系統(tǒng)的運(yùn)載能力提出越發(fā)迫切的要求。但運(yùn)載系統(tǒng)的尺寸受限，不可能大幅增加，這就只能依靠空間機(jī)構(gòu)技術(shù)來解決：飛行器在發(fā)射時(shí)折疊收攏，入軌后展開并形成規(guī)定的構(gòu)型進(jìn)行工作。

飛行器在軌道上運(yùn)行或在其他星球上工作時(shí)，其所處的重力環(huán)境與地球表面差異很大。如地球軌道衛(wèi)星所受的離心力與地球重力幾乎相抵，航天器處于微重力狀態(tài)，其重力加速度量級一般在10-3～10-4g；又如，月球表面的重力加速度約為地球表面的1/6，火星表面的重力加速度約為地球表面的1/3。雖然空間機(jī)構(gòu)最終工作在微重力或其他星球重力場中，但其制造、測試都是在地球重力環(huán)境中進(jìn)行的，而重力對空間機(jī)構(gòu)的特性有巨大的影響。如何在地面確認(rèn)空間機(jī)構(gòu)在空間的性能和可靠性？這就提出了對重力補(bǔ)償設(shè)備的需求，即在地面實(shí)現(xiàn)對空間重力環(huán)境的模擬，以開展空間機(jī)構(gòu)性能評價(jià)及相關(guān)研究。

1 實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償?shù)姆椒?/h2>

重力補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，主要有跌落法、拋物線飛行法、浮力法、氣墊法、懸吊法。

1.1 跌落法

落塔是地面進(jìn)行跌落試驗(yàn)的重要設(shè)施。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)物體從高塔上落下，利用物體在自由落體過程中所處的低重力或微重力環(huán)境來進(jìn)行試驗(yàn)，自由下落時(shí)間為2～5 s。落塔的試驗(yàn)成本相對較低，是一種理想的研究設(shè)施。

表1列出了世界上主要落塔的參數(shù)，圖1是日本的JAMIC落塔，圖2是ZARM落塔的加速度-時(shí)間曲線。

在物體下落過程中，空氣阻力會產(chǎn)生比較大的影響，因此尋求減小空氣阻力影響很關(guān)鍵。

表1 世界上主要落塔的參數(shù)Table 1 Parameters of major falling towers in the world

圖1 日本的JAMIC落塔Fig.1 JAMIC falling tower in Japan

圖2 ZARM落塔的加速度-時(shí)間曲線Fig.2 The curve of acceleration versus time for ZARM falling tower

如果希望獲得更長的試驗(yàn)時(shí)間，則可以使用氣球?qū)⒃囼?yàn)物體帶到高空，然后進(jìn)行釋放，如此能獲得10-3g的微重力環(huán)境。當(dāng)使用加裝推力器的落艙時(shí)，可以減小空氣阻力的影響，甚至獲得10-6g的微重力環(huán)境。

1.2 拋物線飛行法

拋物線飛行是指利用飛機(jī)在按拋物線彈道飛行過程中加速度的變化來進(jìn)行試驗(yàn)。利用拋物線飛行可以獲得零重力、月表重力（1/6g）、火星表面重力（1/3g），甚至是負(fù)重力。NASA和ESA都曾采用這種方式制造微重力環(huán)境并開展了相關(guān)試驗(yàn)。圖3是一個(gè)典型的飛行拋物線。

圖3 典型拋物線飛行曲線Fig.3 The curve of a typical parabolic flight

NASA約翰遜空間中心將波音707飛機(jī)（具有4個(gè)渦輪噴氣發(fā)動機(jī)）改裝成代號為 KC-135A的拋物線飛機(jī)。該飛機(jī)一天至少能夠完成40個(gè)拋物線飛行，每個(gè)拋物線飛行大約能提供20～25 s的低重力環(huán)境。圖4是KC-135A飛機(jī)機(jī)艙中漂浮的航天員。

圖4 KC-135A機(jī)艙中漂浮的航天員Fig.4 Astronauts floating in the KC-135A cabin

1.3 浮力法

可以利用空氣或水的浮力來全部或部分抵消地球重力來模擬失重環(huán)境，常用裝置有氦氣球、中性浮力設(shè)施（俗稱水槽）和水槽浮力系統(tǒng)。

1.3.1 氦氣球

氦氣密度為0.178 6 kg/m3，空氣密度為1.293 kg/m3。由于氦氣密度不到空氣密度的1/6，因此氦氣球在空氣中將獲得較大的浮力，這個(gè)力作用在試驗(yàn)物體上就可以與重力相互抵消。

1.3.2 中性浮力設(shè)施

由于失重環(huán)境下的物體都處于漂浮狀態(tài)，因此可以利用水的浮力來模擬這種漂浮狀態(tài)，從而比較精確地模擬失重環(huán)境下力的作用與反作用特性。拋物線飛行獲得的微重力時(shí)間很短，僅有20～25 s，而中性浮力設(shè)施可以獲得任意模擬時(shí)間，是進(jìn)行長時(shí)間空間任務(wù)訓(xùn)練的唯一方法。

中性浮力設(shè)施一般由主容器（水槽）、供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、安全救生系統(tǒng)，以及照明、測試、通信、試驗(yàn)服等配套系統(tǒng)組成。

水下模擬訓(xùn)練與太空行走有著較大的差異。為了使身著壓力服的受試者在水下達(dá)到重力與浮力平衡（即所謂的中性浮力），需要在壓力服上施加幾十至 100 kg以上的鉛塊配重，配重的添加會對整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量分布產(chǎn)生重大的影響。由于水作用力的存在，航天員在水中可以利用游泳動作實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體甚至平移，但在太空是難以實(shí)現(xiàn)平移的。由于水的阻力與物體在水下運(yùn)動的速度和加速度相關(guān)，因此試驗(yàn)中要控制好動作的速度，不宜太快（應(yīng)≤0.5 m/s），否則會帶來較大的誤差。必須對水下環(huán)境與空間環(huán)境的差異進(jìn)行研究，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行空間任務(wù)的力學(xué)特性仿真分析。

進(jìn)行水下試驗(yàn)時(shí)安全問題至關(guān)重要，要防止?jié)撍〉陌l(fā)生，同時(shí)需要有專業(yè)的潛水員來保障安全。由于水的腐蝕性等問題，試驗(yàn)中所使用的設(shè)備與真實(shí)的不可能完全一樣，需要根據(jù)情況進(jìn)行必要的改造。

中性浮力設(shè)施主要用于航天員在軌操作訓(xùn)練和空間機(jī)器人的測試，對太空操作時(shí)周邊設(shè)施和使用工具的設(shè)置是否合理、形狀設(shè)計(jì)是否科學(xué)、位置安排是否妥當(dāng)?shù)冗M(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，對操作程序的合理性和實(shí)際效果進(jìn)行檢查，包括空間機(jī)器人與航天員間配合程序的檢查。圖5是機(jī)械臂在水下進(jìn)行測試試驗(yàn)，圖6是航天員在水下進(jìn)行訓(xùn)練。

圖5 機(jī)械臂進(jìn)行水下測試Fig.5 Robot arm being tested under water

圖6 航天員在進(jìn)行水下訓(xùn)練Fig.6 Astronauts being trained under water

1.3.3 水槽浮力系統(tǒng)

利用漂浮物在水中受到的浮力來支撐物體，當(dāng)物體做平行于水面的運(yùn)動時(shí)，漂浮物跟隨進(jìn)行運(yùn)動。這種方法實(shí)施起來十分簡單，但只適合于速度極慢的展開系統(tǒng)，否則漂浮物在水中會受到較大的阻力，繼而影響到展開系統(tǒng)的運(yùn)動特性。

1.4 氣墊法

氣墊也稱氣浮裝置，由氣源、承載平臺和若干個(gè)氣墊單元組成。利用氣墊單元將重物托起，并利用氣墊單元與承載平臺之間的流動空氣層來使移動阻力系數(shù)降到0.001～0.005，從而達(dá)到輕松移動的目的。在日常生活中它主要用于短距離搬運(yùn)重物，也可用于船體對接、飛機(jī)裝配等要求定位準(zhǔn)確的場合。

在通氣前氣墊單元與承載平臺接觸，壓縮空氣進(jìn)入氣墊單元后，經(jīng)由其內(nèi)部的氣道到達(dá)底部并通過數(shù)個(gè)小孔排出，由此產(chǎn)生的浮力將物體托起并與其重力保持平衡?？梢杂谜{(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)供氣量使氣墊單元升起離地0.025～0.25 mm（即氣隙），氣隙內(nèi)的氣壓一般可達(dá)0.1～0.35 MPa。供氣量要合適，過多會產(chǎn)生顫動，過少則會使氣墊單元離地高度不足，移動阻力增大。

由于氣墊離開承載平臺的間隙很小，要求承載平臺平整無縫，平臺的宏觀起伏和微觀粗糙度都不允許超過規(guī)定值，否則會因漏氣而導(dǎo)致托不起重物。圖7所示的是氣墊的工作原理，圖8是衛(wèi)星天線使用氣墊進(jìn)行展開試驗(yàn)。

圖7 氣墊工作原理Fig.7 Working principle of the air cushion

圖8 衛(wèi)星天線使用氣墊進(jìn)行展開試驗(yàn)Fig.8 Using air cushion for the deploying test of a satellite antenna

1.5 懸吊法

懸吊法是在地面實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償最常用的方法，它是通過懸吊系統(tǒng)給試驗(yàn)物體施加一個(gè)通過其質(zhì)心的集中力來抵消全部或部分重力。

圖9是一個(gè)典型的懸吊系統(tǒng)，由繩索、滑車、導(dǎo)軌、滑輪、配重等組成。懸吊系統(tǒng)作用在試驗(yàn)件上的拉力大小可以通過配重來調(diào)整。拉力在試驗(yàn)件上的作用點(diǎn)應(yīng)通過質(zhì)心，否則會產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)矩。滑車可以在導(dǎo)軌上滾動，以保證在試驗(yàn)件運(yùn)動的全過程都能夠抵消重力的影響。

圖9 典型懸吊系統(tǒng)的組成和原理Fig.9 The configuration and principle of a typical suspension system

懸吊系統(tǒng)的具體形式有很多種，可以實(shí)現(xiàn)一維的直線運(yùn)動，也可以實(shí)現(xiàn)二維的平面運(yùn)動，甚至是三維空間運(yùn)動；懸吊系統(tǒng)可以是被動式運(yùn)動，也可以是主動式運(yùn)動。各種形式在對待不同的試驗(yàn)對象時(shí)可以靈活組合使用。圖10是伸展桿在進(jìn)行一維直線運(yùn)動展開試驗(yàn)，圖11是桁架天線在進(jìn)行二維平面運(yùn)動展開試驗(yàn)。

圖10 伸展桿在進(jìn)行展開試驗(yàn)Fig.10 Mast in the deployment test

圖11 展開后的桁架天線Fig.11 Truss antenna in the deployed state

2 常用的空間機(jī)構(gòu)地面重力補(bǔ)償

跌落法可用的試驗(yàn)時(shí)間短、空間小，一般不適合用于空間機(jī)構(gòu)的重力補(bǔ)償；拋物線飛行雖然可以提供一個(gè)立體的無重力環(huán)境，但也存在著試驗(yàn)時(shí)間短的問題，并且費(fèi)用較高，目前主要用于航天員的訓(xùn)練；中性浮力設(shè)施比較適合試驗(yàn)對象運(yùn)動復(fù)雜或不確定并且運(yùn)動速度緩慢的情況，由于進(jìn)行試驗(yàn)的產(chǎn)品必須進(jìn)行改裝，因此也不適合空間機(jī)構(gòu)的重力補(bǔ)償，主要用于航天員和空間機(jī)器人模擬漂浮狀態(tài)的在軌操作測試。以上這些方法只是不太適合用于空間機(jī)構(gòu)的重力補(bǔ)償，并不是不能用，前蘇聯(lián)就曾使用一架圖-104飛機(jī)進(jìn)行拋物線飛行來模擬月球重力加速度，對車輪在月面的附著-牽引特性進(jìn)行測試。

氣浮裝置、氦氣球、懸吊系統(tǒng)由于沒有作用時(shí)間和空間的限制、容易實(shí)現(xiàn)且資金需求少，目前常被用作空間機(jī)構(gòu)地面重力補(bǔ)償設(shè)備。它們可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。本章結(jié)合典型的空間機(jī)構(gòu)對這幾種地面重力補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 一維直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的地面重力補(bǔ)償方法

套筒式伸展桿、盤壓桿、鉸接桿等桿狀展開機(jī)構(gòu)以及質(zhì)心（或懸吊點(diǎn)）做直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)（如使用York架和聯(lián)動索的剛性太陽翼）進(jìn)行的都是一維直線運(yùn)動，其重力補(bǔ)償方法比較簡單，實(shí)現(xiàn)的途徑也很多。

圖12是幾種典型的直線運(yùn)動重力補(bǔ)償設(shè)計(jì)原理，這些原理對其他的直線運(yùn)動展開機(jī)構(gòu)都是適用的。

圖12 常用一維直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的地面重力補(bǔ)償Fig.12 The common ground gravity compensation equipment for one-dimensional linear motion mechanisms

2.2 二維平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的地面重力補(bǔ)償方式

拋物面天線、擺動機(jī)構(gòu)、平板雷達(dá)天線、肋式網(wǎng)狀天線等機(jī)構(gòu)的運(yùn)動部件的軌跡是二維曲線，懸吊點(diǎn)需要在二維平面中運(yùn)動。

圖13是以拋物面天線為例的3種二維曲線運(yùn)動的重力補(bǔ)償設(shè)計(jì)原理，這些原理對其他的二維運(yùn)動展開機(jī)構(gòu)也是適用的。

圖13 常用二維曲線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的地面重力補(bǔ)償Fig.13 The common ground gravity compensation equipment for two-dimensional planar motion mechanisms

2.3 三維空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)的地面重力補(bǔ)償形式

機(jī)械臂、天線伸展臂、二維太陽能電池陣等串聯(lián)機(jī)構(gòu)的末端運(yùn)動部件的軌跡是空間曲線，懸吊點(diǎn)需要進(jìn)行三維空間運(yùn)動。

圖14是以兩個(gè)轉(zhuǎn)軸相互垂直的典型串聯(lián)機(jī)構(gòu)為例的三維空間運(yùn)動的重力補(bǔ)償設(shè)計(jì)原理，這些原理對其他的三維運(yùn)動展開機(jī)構(gòu)也是適用的。

圖14 常用三維空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)的地面重力補(bǔ)償Fig.14 The common ground gravity compensation equipment for three-dimensional spatial motion mechanisms

2.4 組合式地面重力補(bǔ)償

隨著需求的變化和技術(shù)的發(fā)展，新型空間機(jī)構(gòu)層出不窮，其運(yùn)動形式已不是簡單的一維、二維或三維運(yùn)動，針對它們的地面重力補(bǔ)償設(shè)備也必須適應(yīng)這種要求而作出專門的變化。

前面已經(jīng)介紹了一些典型的地面重力補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?，?fù)雜空間機(jī)構(gòu)的地面重力補(bǔ)償設(shè)備都是由這些基本形式進(jìn)行組合變化而來的，在實(shí)際工作中需要根據(jù)實(shí)際情況靈活應(yīng)用。圖15列出了3種組合形式。

圖15 組合式地面重力補(bǔ)償Fig.15 Combined-type ground gravity compensation mechanisms

2.5 主動式地面重力補(bǔ)償方法

前面介紹的都是被動式地面重力補(bǔ)償方法，即支持機(jī)構(gòu)展開用的滑車、擺臂、輪系等隨著機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動作跟隨性運(yùn)動的地面重力補(bǔ)償。

由于地面設(shè)備中這些隨動部件給機(jī)構(gòu)產(chǎn)品附加了摩擦阻力和慣性力，對機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的運(yùn)動性能必然會產(chǎn)生或大或小的影響；當(dāng)這種影響達(dá)到一定程度時(shí)，就需要考慮主動式地面重力補(bǔ)償了。主動式地面重力補(bǔ)償是指通過傳感器檢測機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動狀態(tài)，控制地面設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使懸吊點(diǎn)對其進(jìn)行主動跟隨，以保證懸吊點(diǎn)作用力始終在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖16是一個(gè)主動式懸吊地面重力補(bǔ)償系統(tǒng)，其中包括一個(gè)豎直方向的被動系統(tǒng)和一個(gè)水平方向的可控跟蹤系統(tǒng)。其工作原理為：角度傳感器實(shí)時(shí)測量出懸吊繩索偏離豎直方向的角度大小，并將該偏角信號傳給水平移動的電機(jī)控制系統(tǒng)；水平移動系統(tǒng)中的滑車在電機(jī)皮帶等的驅(qū)動下跟蹤機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動來減小這個(gè)偏轉(zhuǎn)角，以保持懸吊繩索的豎直。

圖16 主動式地面重力補(bǔ)償系統(tǒng)Fig.16 An active gravity compensation system

3 地面重力補(bǔ)償?shù)挠绊懛治黾霸O(shè)計(jì)原則

通過前面的介紹可以看出，雖然在地面實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償?shù)姆椒ê托问蕉喾N多樣，但其一般共同點(diǎn)都是向試驗(yàn)對象施加一個(gè)集中載荷來實(shí)現(xiàn)對重力的補(bǔ)償；這并不是真正意義上的“補(bǔ)償”，而只能算是“模擬”。地面試驗(yàn)時(shí)引入的一些邊界條件是實(shí)際空間飛行時(shí)不存在的，這就必然會對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性產(chǎn)生影響。如何盡量減少地面試驗(yàn)時(shí)的附加影響，使地面試驗(yàn)盡可能真實(shí)地反應(yīng)機(jī)構(gòu)在空間的運(yùn)動特性，這是設(shè)計(jì)師必須面對和考慮的問題。

3.1 影響機(jī)構(gòu)地面試驗(yàn)時(shí)運(yùn)動真實(shí)性的因素

機(jī)構(gòu)在地面進(jìn)行運(yùn)動功能試驗(yàn)時(shí)將受到下列因素的影響：

1）空氣阻力；

2）部件在受到集中作用力時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形；

3）地面設(shè)備附加的慣性負(fù)載；

4）作用力的大小與被平衡部分重量的偏差；

5）作用力偏離質(zhì)心所產(chǎn)生的彎矩；

6）地面設(shè)備的摩擦阻力。

3.2 減小對運(yùn)動真實(shí)性影響的方法

如何抑制上述若干因素對運(yùn)動真實(shí)性的影響是進(jìn)行地面重力補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的，需要采取措施將這些影響降低到可接受的程度。

1）空氣阻力的影響及對策

空氣對運(yùn)動機(jī)構(gòu)的阻力與迎風(fēng)面積的大小成正比，與運(yùn)動部件和空氣的相對速度的平方成正比。好在空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度一般都較慢，雖然有的運(yùn)動部件（如板狀天線）的面積較大，但空氣阻力對其影響并不大。

面積較大的空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動試驗(yàn)應(yīng)在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，使用氣球時(shí)也要特別注意風(fēng)速的影響。

2）集中力作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的影響及對策

地球重力是均勻作用在機(jī)構(gòu)部件上的，而地面重力補(bǔ)償設(shè)備向機(jī)構(gòu)部件施加的作用力都是集中力，由于空間機(jī)構(gòu)部件都具有一定的柔性，必然會在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)就會影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性。例如圖13(b)、13(c)，若其中的板狀運(yùn)動部件尺寸大、剛度小，那么就不適合采用這樣的懸吊設(shè)計(jì)。

要合理選擇運(yùn)動部件上的懸吊/支撐點(diǎn)，使集中力施加于部件剛度較大的方向或者增加作用點(diǎn)的數(shù)量，以最大限度地減小結(jié)構(gòu)變形。

3）地面設(shè)備附加的慣性負(fù)載的影響及對策

地面重力補(bǔ)償設(shè)備中的運(yùn)動跟隨部件（如滑車、擺臂、氣墊、配重等）都是隨著機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動而運(yùn)動，其動能來源于機(jī)構(gòu)的驅(qū)動動力源。增加的慣性負(fù)載對于電機(jī)驅(qū)動的機(jī)構(gòu)而言影響不大，但會增加彈簧驅(qū)動展開機(jī)構(gòu)的展開時(shí)間。

設(shè)計(jì)中要盡量減小地面重力補(bǔ)償設(shè)備中的運(yùn)動跟隨部件的質(zhì)量，并要求空間機(jī)構(gòu)動力源具有一定的余量，可以根據(jù)地面試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合仿真分析得出機(jī)構(gòu)在軌的運(yùn)動特性，必要時(shí)也可以使用主動式地面重力補(bǔ)償設(shè)備。

4）作用力大小偏差的影響及對策

由于機(jī)械誤差、測量誤差等以及摩擦等因素的存在，使得地面重力補(bǔ)償設(shè)備作用在運(yùn)動部件上的力的大小必然存在偏差，從而不能完全平衡運(yùn)動部件的重力，二力之差最終作用在運(yùn)動副上，影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性。

應(yīng)使用彈簧等低剛度零件作為地面重力補(bǔ)償設(shè)備與機(jī)構(gòu)部件間的連接件，以減小機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中由于重力補(bǔ)償設(shè)備與機(jī)構(gòu)部件間距離變化而引起的作用力的變化，也可以放寬對地面設(shè)備形狀精度的要求，降低制造難度。對于使用配重施加的作用力，則必須考慮減小滑輪摩擦阻力引起的作用力誤差。同時(shí)，機(jī)構(gòu)部件也應(yīng)具有一定的容差能力。

5）作用力偏離質(zhì)心所產(chǎn)生的彎矩及對策影響

當(dāng)作用力偏離運(yùn)動部件的質(zhì)心時(shí)會在運(yùn)動部件上施加附加的彎矩，最終作用到運(yùn)動副上。

需要準(zhǔn)確獲取運(yùn)動部件的質(zhì)心位置，以確定作用力的作用點(diǎn)。如果確定出的作用力在運(yùn)動部件上的作用點(diǎn)不適合進(jìn)行連接，則需要在運(yùn)動部件上適當(dāng)?shù)牟课话惭b配重，將運(yùn)動部件質(zhì)心移到希望的位置上去。增加的慣性負(fù)載需要由空間機(jī)構(gòu)來承擔(dān)。

6）地面設(shè)備摩擦阻力的影響及對策

滑輪、擺臂在運(yùn)動時(shí)都會受到與速度方向相反的摩擦阻力的作用，而其所消耗的能量最終都要由運(yùn)動機(jī)構(gòu)來提供，從而會影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性。

如果機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的“健壯性”很好，對地面設(shè)備摩擦阻力不敏感，不會導(dǎo)致對機(jī)構(gòu)性能和可靠性的誤判，那么就不需要采取什么措施；反之，則需要有相應(yīng)的辦法來將地面設(shè)備摩擦阻力減小到可接受的范圍內(nèi)。

如果地面重力補(bǔ)償設(shè)備上的滑車等運(yùn)動部件的速度方向是單向的，則可以使用“定滑輪+小砝碼配重”的方法來抵消摩擦阻力；或者將導(dǎo)軌傾斜一定的角度（如1 m長度傾斜2 mm），利用重力在速度方向的分量來抵消摩擦阻力。如果滑車等運(yùn)動部件的速度方向是不確定的，就需要由空間機(jī)構(gòu)自身來克服摩擦阻力的影響；一旦克服不了則需要采用主動式地面重力補(bǔ)償設(shè)備。

3.3 地面重力補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)原則

通過前面的分析，對地面重力補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)原則總結(jié)如下，這些原則實(shí)際上也是判斷地面重力補(bǔ)償設(shè)備設(shè)計(jì)是否成功的準(zhǔn)則。

1）在空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動全過程，作用力應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)緩慢波動；

2）作用力或合作用力應(yīng)始終通過被平衡部件的質(zhì)心，或在質(zhì)心附近規(guī)定的范圍內(nèi)；

3）作用力不能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響其運(yùn)動性能的變形；

4）盡量減小對空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動有影響的附加慣性負(fù)載和摩擦阻力作用；

5）重力補(bǔ)償后的剩余重力、地面設(shè)備的附加彎矩、附加慣性負(fù)載和摩擦阻力等對空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動的影響，應(yīng)控制在空間機(jī)構(gòu)的承載能力范圍內(nèi)。

4 地面重力補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)和實(shí)施過程

地面重力補(bǔ)償方案的確定應(yīng)與空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)同步，只有這樣才能在地面試驗(yàn)時(shí)更加協(xié)調(diào)、匹配，才能盡量真實(shí)地反映空間機(jī)構(gòu)在空間工作重力環(huán)境下的運(yùn)動狀態(tài)。

下面將地面重力補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)和實(shí)施過程簡單總結(jié)如下。

4.1 設(shè)計(jì)過程

1）空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)提供必要的參數(shù)和要求給地面重力補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)師，如機(jī)構(gòu)簡圖、外形尺寸、部件質(zhì)量、質(zhì)心位置、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動時(shí)序、允許的作用力誤差、允許的附加載荷等。

2）根據(jù)機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動范圍、運(yùn)動軌跡和運(yùn)動時(shí)序初步制定幾種地面重力補(bǔ)償設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式，主要是根據(jù)本文第2章的內(nèi)容確定重力補(bǔ)償形式，以滿足空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡要求，保證運(yùn)動過程中沒有機(jī)械干涉。

3）根據(jù)本文 3.3節(jié)給出的的地面重力補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)原則對方案進(jìn)行比較優(yōu)化，通過分析確定作用力的大小和方向、作用位置、連接形式，同時(shí)滿足連接點(diǎn)自由度的要求；根據(jù)作用力誤差要求以及機(jī)械誤差、測量誤差的水平，確定地面重力補(bǔ)償設(shè)備與運(yùn)動部件間的連接件剛度；根據(jù)允許的附加載荷，確定地面設(shè)備運(yùn)動部件慣量大小和摩擦阻力大小的限值，并對設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行校核。

4）必要時(shí)，應(yīng)建立空間機(jī)構(gòu)地面試驗(yàn)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析。

4.2 實(shí)施過程

1）空間機(jī)構(gòu)試驗(yàn)件配平

配平的目的是：① 確定作用力作用在空間機(jī)構(gòu)部件上的實(shí)際位置；② 確定調(diào)整質(zhì)心位置使用的配重塊的大小和安裝位置；③ 確定作用力的大小。

將空間機(jī)構(gòu)試驗(yàn)件各部件懸掛起來，使用調(diào)整吊點(diǎn)位置和安裝配重塊的方法將部件姿態(tài)調(diào)整正確，如使轉(zhuǎn)軸水平或與大地垂直。記錄吊點(diǎn)位置、配重塊的質(zhì)量和安裝位置、懸吊繩的張力。

需要特別注意的是：如果在配平工作結(jié)束后還需要在產(chǎn)品上安裝其他部件，如熱控多層、電纜，則在配平時(shí)需要稱取這些部件的質(zhì)量，使用質(zhì)量模擬件安裝在產(chǎn)品部件上參加配平工作，否則配平工作獲得的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。

2）地面重力補(bǔ)償設(shè)備的調(diào)整和測試

調(diào)試的目的是：① 確定地面重力補(bǔ)償設(shè)備中滑軌、轉(zhuǎn)軸、平臺等部件的形狀精度；② 確定地面設(shè)備中運(yùn)動部件的摩擦阻力。

在地面重力補(bǔ)償設(shè)備與機(jī)構(gòu)部件間的連接件上安裝與設(shè)計(jì)作用力一致的重物，移動重物進(jìn)行調(diào)整并測量滑軌的直線度和水平度。對于擺臂形式的結(jié)構(gòu)，將重物移動到最遠(yuǎn)端，檢查擺臂軸線對大地的垂直度。而對于氣墊承載平臺，由于其剛度很大，因此不需使用重物，可以直接測量其平面度和水平度。

在連接件上安裝重物的情況下，測量地面設(shè)備中運(yùn)動部件的摩擦阻力，以確定抵消摩擦影響的小砝碼的質(zhì)量或者導(dǎo)軌的傾斜角度。

在地面設(shè)備調(diào)整完畢后，必要時(shí)可以使用簡化了的空間機(jī)構(gòu)實(shí)物模型對地面重力補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，對運(yùn)動過程的機(jī)械干涉進(jìn)行檢查，對作用力進(jìn)行全程監(jiān)測，對運(yùn)動過程進(jìn)行錄像，為地面重力補(bǔ)償設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整提供依據(jù)。

3）空間機(jī)構(gòu)的放置和調(diào)整

放置和調(diào)整的目的：① 確定空間機(jī)構(gòu)與地面重力補(bǔ)償設(shè)備的空間關(guān)系；② 確定空間機(jī)構(gòu)軸線與大地的關(guān)系；③ 調(diào)整空間機(jī)構(gòu)部件與地面重力補(bǔ)償設(shè)備相應(yīng)部件間作用力的大小。

將空間機(jī)構(gòu)與地面重力補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行對準(zhǔn)，如將空間機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與擺臂的轉(zhuǎn)軸對準(zhǔn)、將直線運(yùn)動的方向與導(dǎo)軌方向?qū)?zhǔn)，以確定空間機(jī)構(gòu)與地面重力補(bǔ)償設(shè)備的空間關(guān)系。

調(diào)整空間機(jī)構(gòu)軸線對大地的水平或者垂直狀態(tài)并進(jìn)行測量，應(yīng)滿足規(guī)定的要求。

將空間機(jī)構(gòu)的部件與地面重力補(bǔ)償設(shè)備中相應(yīng)的部件進(jìn)行連接，調(diào)整作用力的大小，同時(shí)通過傳感器、彈簧秤等測力元件進(jìn)行檢測。

5 結(jié)束語

機(jī)構(gòu)產(chǎn)品是空間飛行器的關(guān)鍵執(zhí)行部件，在地面盡量真實(shí)地模擬空間重力環(huán)境以評價(jià)其運(yùn)動性能和可靠性是十分必要和重要的。

空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須廣泛了解各種地面重力補(bǔ)償設(shè)備的原理和一般形式，深刻理解地面重力補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)原則，熟練掌握地面重力補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)施方法，同步、協(xié)調(diào)地開展地面重力補(bǔ)償設(shè)備與機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、實(shí)施工作。只有這樣，才能更準(zhǔn)確地模擬空間重力環(huán)境，才能更真實(shí)地反映空間機(jī)構(gòu)的功能和性能，才能更深入地分析和理解試驗(yàn)結(jié)果，才能更正確地作出結(jié)論和判斷，這對提高產(chǎn)品可靠性無疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（References）

[1]張小蘇, 宗文波.國外空間微重力模擬試驗(yàn)技術(shù)研究與應(yīng)用[G]∥空間技術(shù)情報(bào)研究.北京: 中國空間技術(shù)研究院, 2007

[2]樊世超.月面力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究[G]∥空間技術(shù)情報(bào)研究.北京: 中國空間技術(shù)研究院, 2006

[3]陳必忠.國外大型空間輕質(zhì)可展開構(gòu)件及其展開試驗(yàn)評述[G]∥空間技術(shù)情報(bào)研究.北京: 中國空間技術(shù)研究院, 1991

[4]柳寧, 李俊峰, 馮慶義, 等.水下人體模型和試驗(yàn)驗(yàn)證[C]//中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會論文集, 2005