7.3. Механические системы имитации невесомости
Широкое применение нашли разнообразные системы механического обезвешивания.
В этой системе каждое обезвешиваемое звено подвешивается через трехстепенной шарнир, закрепляемый в центре масс звена. Тогда к шарниру прикладывается сила противоположная силе тяжести звена. Стенд обеспечивает шесть степеней подвижности каждому обезвешиваемому звену за счет перемещений своих элементов.
Схемы некоторых стендов механического обезвешивания приведены на рис.7.2 – 7.3.
Рис. 7.3 - Вывеска с использованием двух взаимно перпендикулярных кареток.
1,2 – балки; 3 – каретка продольного перемещения; 4 – поперечный рельсовый путь; 5 – каретка поперечного перемешения;6 – упругий элемент.
Вышеприведенные схемы имитации невесомости имеют следующие достоинства: простота настройки и обслуживания, точность поддержания заданной величины и направления обезвешивающей силы. Недостатки: сопротивления сил трения в механизмах стендов, наличие инерционности поворотных балок, аэродинамическое сопротивление элементов, рассогласование в движении между кареткой и ОИ
Обезвешивание заключается в том, что на обезвешиваемый элемент в центре масс закрепляется трехстепенной шарнир, прикладывается к шарниру сила, которая в каждый момент времени противоположно направлена силе тяжести, действующей на этот элемент, а ее абсолютная величина равна величине силы тяжести элемента. Этот элемент получает шесть степеней свободы и находится в состоянии квазиневесомости.
Движение кареток по направляющим позволяет перемещать точку подвеса обезвешиваемого элемента на каретке по горизонтали вслед за движением центра масс элемента, обеспечивая нахождение точки подвеса элемента и его центра масс на одной вертикали.
Движение троса, соединяющего центр масс элемента с грузом-противовесом по роликам, позволяет перемещать груз-противовес при вертикальных перемещениях центра масс элемента, обеспечивая равенство абсолютных величин сил натяжения и тяжести, действующих на элемент.
При реализации метода обезвешивания на стенде имитации невесомости возникает ряд трудностей по обеспечению точности имитации невесомости.
Из-за наличия сил трения в элементах стенда и их инерционности идеального обезвешивания звеньев механических систем не происходит. В результате часть энергии приводов механических систем тратится на преодоление сил сопротивления и инерции, действующих со стороны стенда на механическую систему, из-за этого изменяются кинематические параметры звеньев, возникают перекосы в шарнирных узлах и, как следствие чего, неточность позиционирования звеньев механической системы. Также часть энергии тратится (или добавляется) из-за неточности компенсации сил тяжести и колебаний в системе обезвешивания.
В связи с разработкой крупногабаритных механических систем, таких как разворачиваемые рефлекторы диаметром 12 м и более, возникла необходимость поиска новых, но при этом достаточно простых и эффективных способов компенсации веса элементов механических систем, так как применение традиционных методов не могут быть применимы из-за конструктивных особенностей.