ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДВЕСКИ И ВИБРОЗАЩИТЫ, В КОТОРОЙ ПРИМЕНЯЮТСЯ НИЗКОФРИКЦИОННЫЕ ТРОСОВЫЕ ДЕМПФЕРЫ
PNEUMATIC SUSPENSION AND VIBRATION ISOLATION SYSTEM EMPLOYING LOW FRICTION CABLE ISOLATORS

В данном изобретении предложена система подвески и виброзащиты, содержащая тросовые демпферы. В тросовых демпферах применяются низкофрикционные пневматические цилиндры на аэростатических опорах и тросы для защиты подвесной полезной нагрузки от вибраций носителя или для защиты носителя от вибраций полезной нагрузки. Использование такого цилиндра с воздушной смазкой для поверхностей раздела поршня, по существу, исключает статическое трение и поэтому повышает эффективность защиты при малых силах и перемещениях. Использование пневматических цилиндров также позволяет настраивать систему на требуемую резонансную частоту для защиты полезной нагрузки от вибраций в желаемой полосе частот. Изобретение можно развертывать в буксируемом летательном аппарате-носителе и можно использовать для защиты полезной нагрузки на носителе от движений носителя с частотой выше определенной частоты отсечки. Использование тросов и низкофрикционных шкивов в качестве звена между полезной нагрузкой и носителем обеспечивает значительную универсальность компоновки и обеспечивает эффективное использование пространства. Изобретение находит конкретное применение для сбора высокоточных низкочастотных электромагнитных данных с буксируемых воздушных платформ, а также может быть применено в других приложениях, связанных с буксируемыми воздушными платформами, где требуется эффективная защита на низких частотах при большой длине хода, таких как аэрогравиметрия или гравитационная градиентометрия.
Уровень техники
Системы подвески и виброзащиты являются общепринятыми и используются для решения самых разнообразных задач на транспорте и в промышленности. Их назначением может быть либо защита наружного пространства от вибраций, таких как вибрации электродвигателя или другого вибрирующего устройства, либо защита полезной нагрузки от вибраций ее носителя. Зачастую, защита желательна для того, чтобы избежать причинения повреждения оборудованию или неудобств людям. Вибрации также могут быть источником шума для датчиков, а защита датчика от вибраций может значительно повысить качество воспринимаемых данных.
В контексте этого изобретения, носитель - это любой объект, на котором следует установить, нести или транспортировать полезную нагрузку. Носитель может содержать неразборный либо разборный каркас или может быть движущимся транспортным средством, каркасом, установленным на транспортное средство, или привязным объектом. Когда носитель является транспортным средством, он может передвигаться по земле, воде или воздуху. В случае летательного аппарата-носителя, этот носитель может быть летательным аппаратом с неизменяемой геометрией крыла или винтокрылым летательным аппаратом, таким летательным аппаратом легче воздуха, как блимп (мягкий дирижабль), цеппелин (жесткий дирижабль) или аэростат, или привязной воздухоплавательный объект. Выражаясь языком аэрогеофизики, привязные объекты могут включать в себя воздушные змеи или носители, буксируемые летательным аппаратом или подвешенные к нему, такие как гондола, бомба или зонд.
В контексте этого изобретения, полезная нагрузка - это любой объект, который может быть подвешен к носителю. Полезная нагрузка может быть источником вибрации, от которой требуется защита, или это может быть прибор, который надо защитить от вибраций его носителя. Полезная нагрузка может содержать каркас, прибор или платформу с прибором либо отдельную систему подвески и виброзащиты.
Когда ее используют на движущемся транспортном средстве-носителе, задачей системы виброзащиты может быть приложение минимальных сил к полезной нагрузке выше определенной частоты, а полезная нагрузка при этом следует по общей траектории со своим носителем ниже определенной частоты. В контексте этого изобретения, непостоянные ускорения полезной нагрузки относительно носителя понимаются как вибрации.
Чтобы виброзащищенная полезная нагрузка могла следовать за своим носителем, нужно обеспечить пространство в пределах носителя, чтобы позволить полезной нагрузке двигаться относительно него. В буксируемом летательном аппарате-носителе, где пространство ограничено, предпочтительно иметь систему подвески вне траектории движения полезной нагрузки, чтобы максимизировать доступные поперечные движения полезной нагрузки с одновременной минимизацией размеров носителя.
Когда на подвижном носителе используют измерительный или целеуказательный прибор, на рабочие характеристики этого прибора может влиять движение платформы. Данные, собираемые с помощью таких датчиков, как гравиметры, гравитационные градиентометры, магнитометры, индукционные катушки, радары, лидары, акселерометры, исполнительные механизмы привода скорости вращения и различные оптические измерительные или целеуказательные приборы, такие как телескопы, лазерные устройства сопровождения и дальномеры, и съемочные камеры, могут ухудшаться за счет присутствия вибраций носителя. Виброзащита приборной полезной нагрузки от движений ее носителя может оказаться жизненно важной для рабочих характеристик прибора. Такие эффекты весьма важны в приложениях, связанных с предназначенными для сопровождения и целеуказания бортовыми средствами летательных аппаратов дальнего действия, в гравиметрии и гравитационной градиентометрии, а также при аэроэлектроразведочных измерениях.
Виброзащита в контексте аэроэлектромагнитных (АЭМ) съемок является важным аспектом в проектировании оборудования для таких съемок. Датчики, которые измеряют составляющие вектора магнитного поля, чрезвычайно чувствительны к угловой ряби на изображении в присутствии магнитного поля Земли. На современной ступени развития техники признано, что эффективная защита датчиков от ускорений их носителя может способствовать ослаблению этой ряби. Такую рябь могут вносить поперечные и вертикальные движения носителя, а эффективно подавить ее можно лишь посредством виброзащиты в трех измерениях.
На практике, система подвески и виброзащиты надежно установлена на жесткий каркас носителя. Система подвески и виброзащиты обеспечивает двойную функцию подвешивания на этом каркасе с одновременной защитой полезной нагрузки или носителя от вибраций в определенной полосе частот. В любой системе подвески и защиты есть четыре существенных параметра, которые следует учитывать:
1.1. допустимая статическая нагрузка или грузоподъемность;
1.2. мягкость или резонансная частота;
1.3. динамическое трение или динамические потери; и
1.4. сила трения покоя или страгивания с места.
Во-первых, грузоподъемность характеризуется полезной нагрузкой. Во-вторых, мягкость или резонансная частота определяется частотами полезной нагрузки, от которых нужна развязка. Вообще говоря, эффективная развязка происходит на частотах, по меньшей мере, вдвое превышающих резонансную частоту системы подвески и защиты. В-третьих, динамическое трение или динамические потери являются фактором, относящимся к гашению энергии в пределах системы защиты, и в идеальном случае гашение энергии будет происходить без передачи вибраций через подвеску на полезную нагрузку или от полезной нагрузки. В-четвертых, трение покоя - это конкретная помеха, возникающая при гашении низкочастотных вибраций, поскольку высвобождение объекта, удерживаемого трением покоя, вызывает ступенчатое ускорение полезной нагрузки. Таким образом, эффект трения покоя может распространяться на частоты, превышающие резонансную частоту систем подвески и защиты, за счет спектра гармоник ступеньки. При сборе АЭМ данных следует в как можно большей степени минимизировать трение покоя, поскольку это предотвращает вибрации с малой амплитудой на любой частоте, от которой следует развязать полезную нагрузку.
На современной стадии развития сбора АЭМ данных, защита от вибрации эффективно исключает только шум, обусловленный дрожанием, для магнитных измерений на частотах выше 20 Гц. Способы защиты на современной стадии развития техники в типичном случае основаны на эластомерах, таких как амортизаторы, примеры которых представлены в канадском патенте № 2722457 (Kuzmin и Morrison) (“Double-suspension receiver coil system and apparatus”) («Система и устройство с приемной рамкой на сдвоенной подвеске») и патенте США № 2010/0237870 (Dodds) (“Geophysical prospecting using electric и magnetic components of natural electromagnetic fields”) («Геофизическая разведка с помощью электрических и магнитных составляющих естественных электромагнитных полей»). Изобретение, авторами которого являются Turner и др. (патент США № 6369573), основано на пружинах и амортизаторной жидкости и никогда не было жизнеспособным в коммерческом отношении. В изобретении Барринджера (Barringer), раскрытом в патенте США № 3115326, использовался карданный шарнир для защиты катушки магнитного датчика от вращательного движения. Хотя устройство Барринджера смогло оказаться полезным для сбора АЭМ данных в шестидесятых годах двадцатого века, от устройств на основе карданного подвеса почти полностью отказались при сборе современных высокоточных АЭМ данных.
Хотя многие виброзащитные устройства надлежащим образом работают в диапазонах гораздо ниже 25 Гц, АЭМ измерения требуют решений по виброзащите, которые минимизируют электромагнитный шум, обуславливаемый близкими электрическими токами и движущимися деталями из неферромагнитных металлов или ферромагнитных металлов. Такие устройства должны быть стойкими к ударному воздействию и изменениям температурных условий, быть легкими, компактными и работать на низкой мощности. В случае высокоточных АЭМ измерений, когда датчики находятся в носителе, буксируемом на тросе в десятках метров ниже летательного аппарата, весьма выгодна открытая подвеска, поскольку она минимизирует прочностные требования (приводя к снижению веса) и максимизирует объем в пределах носителя, в котором может двигаться полезная нагрузка. Оборудование для АЭМ съемок должно функционировать при жестких посадках и в пределах большого изменения температурных условий, зачастую - в диапазоне от -20 до 40°C. Из-за этих ограничений обширное семейство технологий выброзащиты, которые разработаны для других приложений, непригодны для сбора высокоточных АЭМ данных.
Таким образом, хотя общая методология виброзащиты надежно отработана, подходящие решения для сбора высокоточных АЭМ данных в диапазоне ниже 20 Гц не обнаружены. Причина заключается в том, что разработки на современной стадии развития АЭМ съемок основаны на эластомерах и в собственных свойствах систем виброзащиты. Виброзащитные устройства имеют резонансную частоту, лежащую существенно ниже нижней частоты вибраций, от которых требуется защита. Когда эта резонансная частота понижается, диапазон движения, которые требуется виброзащитному устройству, будет увеличиваться. Это затрудняет практическое воплощение виброзащиты на низких частотах, основанной на эластомерах, при условии, что эластомеры требуются. В результате, способы виброзащиты, основанной на эластомерах, которые хорошо работают при сборе АЭМ данных на частотах выше 20 Гц, не работают хорошо при сборе АЭМ данных на частотах ниже 20 Гц.
Высокоточные АЭМ измерения требуют маломощных, компактных, немагнитных, неэлектрических, стойких к внешним воздействиям и легких средств виброзащиты, которые можно подвешивать в подвижном носителе, и это критерии, которые позволяют мотивировано возразить против использования эластомеров. Хотя в патенте США № 6196514 (Kleinholtz) под названием “Large aireborne stabilization vibration isolation system” («Большая бортовая система стабилизации и виброзащиты») используются пневматические опоры на воздушной подушке, это не подходит для сбора АЭМ данных с низким уровнем шума в буксируемой гондоле: система слишком тяжела и громоздка для монтажа в гондоле; она требует исполнительных механизмов с катушками линейного электропривода (источник электромагнитного шума) и обеспечивает виброзащиту без трения лишь в одном направлении - снизу.
Соответственно, было бы предпочтительно иметь легкую, компактную систему виброзащиты, которая могла бы предоставить полезной нагрузке, свисающей сверху, выброзащиту в нескольких направлениях, и которую можно было бы смонтировать и эксплуатировать в буксируемом летательном аппарате-носителе. Дополнительным преимуществом при сборе АЭМ данных была бы предоставляемая системой виброзащиты возможность защиты от вибраций на частотах выше 3 Гц, если бы ее можно было эксплуатировать с малым потреблением электроэнергии и если бы можно было построить ее, по существу, из резистивных и немагнитных компонентов, чтобы минимизировать электромагнитный шум.
Сущность изобретения
В данном изобретении предложен тросовый демпфер для защиты полезной нагрузки от колебательного движения ее носителя. Поскольку каждый тросовый демпфер обеспечивает опору в одном направлении, можно скомпоновать множество тросовых демпферов для опоры полезной нагрузки с одновременной защитой ее от движения ее носителя в нескольких направлениях с частотой выше частоты отсечки. В данном изобретении также предложена такая компоновка множества тросовых демпферов - «система подвески и защиты» - которая обеспечивает виброзащиту в нескольких направлениях, а также предложено средство для подвешивания полезной нагрузки. Решение задач данного изобретения способствует сбору низкочастотных АЭМ данных.
Важным аспектом задач предлагаемого изобретения является опора подвешиваемой полезной нагрузки (например, выдерживающая ее вес) и обеспечение высокой степени виброзащиты вплоть до частоты 3 герца в буксируемом летательном аппарате-носителе. Для эффективной виброзащиты резонансная частота должна быть намного ниже низшей частоты 3 Гц.
В соответствии с этим аспектом данного изобретения, оно может обеспечить требуемую виброзащиту вплоть до частоты, по меньшей мере, 3 Гц при воплощении в качестве компонента системы стабилизации, описанной в патенте США № 20110175604 (Polzer и др.). Однако в более общем смысле, данное изобретение может также обеспечить подвесной полезной нагрузке виброзащиту на частотах выше и ниже 3 Гц и может быть сформировано из компонентов, которые могут быть либо металлическими, либо неметаллическими и либо магнитными, либо немагнитными.
В тросовом демпфере, описываемом в данном изобретении, используются пневматические цилиндры, которые действуют как пневматические амортизаторы. Пневматические амортизаторы обладают многими атрибутами, желательными при создании систем защиты, которые эффективны для несения больших полезных нагрузок и для обеспечения развязки на низких частотах. Пневматический цилиндр может содержать цилиндр, в который через отверстие подается сжатый воздух, головку поршня, на которую направлена сила сжатого воздуха, и шток поршня, который присоединен к головке поршня, выдвигаемый из цилиндра, прикладывая силу к объекту, который может быть полезной нагрузкой. Потери воздуха из-за утечки сжатого воздуха между головкой поршня и стенкой цилиндра обычно минимизированы за счет применения герметичного механического уплотнения между цилиндром и головкой поршня. Когда в пневматическом цилиндре применяются герметичные механические уплотнения, в его цилиндре могут быть два отверстия, по одному отверстию на каждом конце цилиндра, а сжатый воздух может прикладывать к штоку его поршня и толкающую силу, и тянущую силу.
Хотя пневматические цилиндры с двумя отверстиями обладают преимуществом способности прикладывать и толкающую силу, и тянущую силу, они не очень полезны для защиты от вибраций с малой амплитудой, в частности, на низких частотах. Проблема обуславливается трением покоя контактного механического уплотнения между головкой поршня и стенкой цилиндра. Трение уплотнения вызывает передачу силы от стенки цилиндра к головке его поршня, частично - за счет трения покоя уплотнения по стенке цилиндра. Пневматические цилиндры с механическими уплотнениями не полностью защищают полезную нагрузку от вибраций на носителе.
В тросовом демпфере, предлагаемом в данном изобретении, идея воздушного амортизатора применяется особым образом, который обеспечивает и исключительно низкое требование и гарантирует подвеску полезной нагрузки сверху. Тросовый демпфер содержит промышленно выпускаемые цилиндры на аэростатических опорах, которые не контактируют с уплотнением между цилиндром и головкой поршня, предотвращая утечку воздуха. Цилиндры на аэростатических опорах являются пневматическими цилиндрами с одним отверстием, которые воплощают бесконтактную аэростатическую опору между головкой поршня и стенкой цилиндра, основанную на жестких допусках между ними. Воздух на напорной стороне головки поршня утекает между головкой и стенкой, обеспечивая, по существу, смазку без трения и тем самым создавая аэростатическую опору. Ввиду того, что решение основано на использовании этого утекающего воздушного потока для смазки, цилиндры на аэростатических опорах («цилиндры») этого типа могут быть лишь с одним отверстием, при этом герметизированная камера находится напротив штока поршня. Соответственно, такие цилиндры могут прикладывать силу, лишь «толкая» или выталкивая шток поршня из цилиндра. Это делает невозможной непосредственную подвеску подвесной нагрузки на цилиндрах с аэростатическими опорами, находящихся над нагрузкой, поскольку головки поршней пришлось бы подталкивать к концам их цилиндров.
Тросовые демпферы согласно данному изобретению содержат множество цилиндров, которые действуют синхронно. В более общем смысле, тросовый демпфер содержит систему механических компонентов, включая упомянутые цилиндры, и пневматическую систему для подачи воздуха в цилиндры требуемым образом. Он также может содержать контроллер для управления движением поршней за счет изменения давлений воздуха в пневматической системе. Пневматическая система управления и любой контроллер могут быть независимыми от других тросовых демпферов в системе подвески и защиты или эти компоненты могут быть совместно используемыми среди тросовых демпферных элементов системы подвески и защиты.
Когда обеспечивают виброзащиту полезной нагрузки в буксируемом летательном аппарате-носителе, конфигурация системы подвески и защиты может быть такой, что на определенные тросовые демпферы подвешивают вес системы и обеспечивают вертикальную виброзащиту, а другие тросовые демпферы обеспечивают виброзащиту в поперечных направлениях. Такой летательный аппарат-носитель будет содержать каркас или «буксировочную платформу», являющуюся конструктивным компонентом носителя, на который можно установить буксировочный трос и на который - согласно данному изобретению - устанавливают элементы системы подвески и защиты, на которой подвешивают полезную нагрузку.
Механические компоненты тросового демпфера могут содержать множество цилиндров на аэростатических опорах, шасси, траверсу, соединенную со штоками поршней цилиндров, трос и шкивы. Цилиндры и шкив надежно установлены на шасси и таким образом жестко удерживаются на месте друг относительно друга. В случае, если виброзащиту надлежит осуществить в буксируемом носителе, шасси может быть прикреплено к буксировочной платформе носителя, как и дополнительные шкивы. В одном способе компоновки, трос крепят к траверсе одним его концом, а к подвесной полезной нагрузке - другим его концом и проводят этот трос, по меньшей мере, через один шкив, чтобы обеспечить требуемое направление и механическое продвижение к подвеске полезной нагрузки. Таким образом, сила, прикладываемая цилиндрами на аэростатических опорах, передается через траверсу на трос, а значит и на полезную нагрузку. Если используют шкив, то выгодно применять его низкофрикционную разновидность.
Шасси можно разместить рационально, при этом будут в наличии и пространство, и конструктивная опора. Это может быть важным преимуществом, когда подвешивают нагрузку в пределах буксируемого летательного аппарата-носителя, где пространство и вес могут быть в большой цене. Использование шкивов дает возможность использования низкофрикционных пневматических цилиндров на аэростатических опорах, которые можно использовать только «в режиме подталкивания», для придания опоры нагрузке, подвешиваемой сверху.
Шасси может быть дискретной механической структурой, особой для тросового демпфера, или оно может быть механической структурой, совместно используемой множеством тросовых демпферов. Например, в случае носителя для АЭМ съемок, либо буксировочная платформа может содержать шасси, либо шасси тросового демпфера может быть прикреплено к буксировочной платформе.
Сила, прикладываемая тросом к полезной нагрузке, может быть приложена посредством жесткого соединения, с помощью приспособления для гашения вибраций, такого как способное быть сформированным из амортизаторов и пружин или шкива. В последнем случае, трос может быть проведен через шкив на полезной нагрузке, оканчиваясь на втором тросовом демпфере, или до фиксированной точки на буксировочной платформе, тем самым допуская специальные геометрии системы или добавляя выигрыш в силе.
Цилиндры в тросовом демпфере надежно установлены на шасси. Они ориентированы параллельно друг другу, так что штоки их поршней толкают в направлении общей ориентации. Концы штоков поршней оканчиваются на траверсе, а траверса также обеспечивает точку, к которой прикреплен трос. Трос предпочтительно проведен от траверсы в направлении, параллельном движению поршней, чтобы предотвратить приложение тросом поперечных сил или крутящих моментов к штокам, могущих негативно повлиять на аэростатические опоры. Сила, действующая на траверсу со стороны штоков поршней, работает, противодействуя натяжению в тросе. Шкив, содержащий колесо, вращающееся вокруг оси, прикрепленной к шасси, перенаправляет трос в требуемом направлении, так что он может прикладывать требуемые стабилизирующие силы к полезной нагрузке. Поскольку цилиндры могут прикладывать только толкающую силу и поскольку трос может работать только когда он натянут, этот трос следует прокладывать от траверсы к колесу шкива по направлению к цилиндрам.
Когда цилиндры на аэростатических опорах в тросовом демпфере, по существу, идентичны, каждый цилиндр на аэростатических опорах может осуществлять толчок, по существу, с одной и той же силой. В таких компоновках, крепление троса может находиться посредине между креплениями штоков поршней на траверсе, при этом распределение силы между цилиндрами и натяжение в тросе приводят нулевому моменту на траверсе. Получаемый в результате тросовый демпфер может содержать компоновку цилиндров, симметричную относительно средней точки крепления троса. При других компоновках, когда цилиндры на аэростатических опорах в тросовом демпфере не являются, по существу, идентичными, место крепления троса может также находиться в такой точке, которая приводит к нулевому моменту на траверсе. Трос можно использовать либо сам по себе, либо вместе c другими тросами из других тросовых демпферов, для подвески и защиты полезной нагрузки - как часть системы подвески и виброзащиты.
Для ограничения движения штоков поршней и траверсы можно использовать систему линейных направляющих и каретки, параллельную направлению общей ориентации. При отсутствии такого ограничения, сила, перпендикулярная направлению общей ориентации, может вызывать поворот штоков поршней от направления общей ориентации. Любой такой поворот может ухудшить рабочие характеристики аэростатической опоры между головкой поршня и стенкой цилиндра. Результатом может стать увеличение трения или увеличенная утечка воздуха из пневматического цилиндра.
Если в тросовом демпфере используется система линейных направляющих и каретки, то она будет жестко крепиться к шасси. Поперечные стабилизирующие силы будут прикладываться либо к штокам поршней или к траверсе, либо и к тем, и к другой, с помощью низкофрикционных поверхностей раздела. Низкофрикционные поверхности раздела могут содержать низкофрикционные контактирующие материалы, такие как тефлон, узлы шарикоподшипников или роликоподшипников, либо линейные аэростатические опоры или втулки. Приложение стабилизирующих сил возможно также с помощью магнитной левитации или с помощью принципов, основанных на магнитных силах.
В частности, система линейных направляющих и каретки может содержать вал для направления траверсы в направлении, параллельном движению штоков поршней. Как таковой, вал может образовывать часть тросового демпфера, и если тросовый демпфер содержит вал, то этот вал жестко прикреплен к шасси. Чтобы обеспечить низкофрикционную направляющую, при наличии которой траверса движется, преодолевая вал, можно применить подвижную аэростатическую опору, устанавливаемую на траверсу. В подвижную аэростатическую опору можно подавать сжатый воздух по спиральному воздуховоду.
Цилиндры в каждом тросовом демпфере работают синхронно, формируя, по существу, единый рабочий ход цилиндров. Привод цилиндров - пневматический, от системы подачи воздуха. Система подачи воздуха может содержать резервуары воздуха, регуляторы давления воздуха, клапаны и воздуховоды. Использование множества цилиндров в каждом тросовом демпфере позволяет проводить трос от траверсы таким образом, который дает возможность совершать движение без крутящего момента, тем самым облегчая движение без трения каждого штока поршня на его аэростатической опоре. Сжатый воздух можно подавать в тросовый демпфер через питательный резервуар, соединенный воздуховодами с воздушным насосом. Когда его используют для обеспечения виброзащиты в буксируемом летательном аппарате-носителе, насос может быть установлен на буксировочном тросе, а воздуховоды могут проходить вдоль буксировочного троса от насоса к носителю.
Каждый тросовый демпфер может прикладывать к полезной нагрузке лишь тянущую силу в одном направлении. В общем случае, для обеспечения сил, стабилизирующих перемещение, понадобилось бы шесть тросовых демпферов, установленных по ортогональным осям, при этом пары тросовых демпферов на каждой оси притягивались бы друг к другу на полезной нагрузке. Дополнительные пары тросовых демпферов могут иметь тросы, расположенные с возможностью приложения к нагрузке стабилизирующих крутящих моментов вокруг оси. Очевидно, что не все полезные нагрузки будут гарантировать такую отработку, и в некоторых случаях тросы могут обеспечивать стабилизирующие силы с более чем одной такой функцией. Компоновка тросовых демпферов, применяемая в любом варианте осуществления системы подвески и защиты, может зависеть от характера и требований полезной нагрузки. Например, в вариантах осуществления, где сила тяжести всегда прикладывается к полезной нагрузке приблизительно в одном и том же направлении, наличие тросового демпфера, тянущего вниз, может и не потребоваться. Для приложения горизонтальных стабилизирующих сил в двух направлениях на полезной нагрузке понадобятся всего три тросовых демпфера с тросами, разведенными под углами 120 градусов. В некоторых вариантах осуществления, стабилизация перемещения и крутящего момента вдоль всех осевых направлений может и не потребоваться. В некоторых вариантах осуществления, трос, проводимый от демпфера, может расширяться, обеспечивая опору в ряде дискретных мест на полезной нагрузке.
Пневматическая система тросового демпфера подает воздух в цилиндры под предписываемым давлением и управляет средним положением штоков поршней в тросовом демпфере. Пневматическая система может содержать питательный резервуар для доставки сжатого воздуха в регулятор давления, который заполняет буферный резервуар. Насадок на выходе буферного резервуара может подавать воздух в накопительный резервуар и в отверстия в цилиндрах. Воздух непрерывно течет через цилиндры с поршнями, «смазывая» аэростатические опоры. Кинематические и динамические свойства каждого тросового демпфера и системы подвески и защиты можно регулировать путем изменения объемов буферного и накопительного резервуаров, регулируемого давления, площадей насадков и головок поршней, а также длин ходов поршней. Например, допустимую статическую нагрузку системы подвески и защиты можно регулировать путем изменения давления воздуха, количества и расположения несущих нагрузку цилиндров, а также площадей соответствующих цилиндров. Резонансные свойства системы можно регулировать путем изменения объемов путем изменения объемов цилиндров и накопительных резервуаров. Можно регулировать и размер насадка - чтобы гарантировать правильную работу аэростатической опоры.
Питательный, буферный и накопительный резервуары могут содержать множество камер, взаимосвязанных воздуховодами, а управлять ими можно с помощью клапанов. При этом объемы резервуаров можно регулировать. Такие регулировки может осуществлять контроллер.
Давлением воздуха, подаваемым в каждый тросовый демпфер, может управлять регулятор воздуха, а давления, подаваемые в каждый тросовый демпфер в системе подвески и защиты, могут быть разными. Например, тросовому демпферу, который должен поддерживать подвешенную полезную нагрузку, противодействуя силе тяжести, может потребоваться давление, отличающееся от требующегося тросовому демпферу, который управляет поперечными движениями полезной нагрузки, являющимися результатом движений носителя. Если нужно поддерживать нагрузку, противодействуя силе тяжести, то давление, подаваемое в эти поддерживающие цилиндры, умноженное на общую площадь головок поддерживающих поршней, должно уравновешивать статическую нагрузку, подлежащую подвеске. Регулируемое давление воздуха может быть заранее задано равным постоянному значению, подходящему для конкретного приложения и окружающей среды, требуемой для полезной нагрузки, или это давление может быть отрегулировано контроллером. В последнем случае, давление воздуха можно регулировать в соответствии с измеренным движением полезной нагрузки, движением штоков поршней или движением шкива или вращающего его троса.
Если несколько тросовых демпферов представляют собой систему подвески и защиты, то для заполнения совместно используемого питательного резервуара воздуха можно использовать единственный источник воздуха, такой как воздушный насос. Подача сжатого воздуха может осуществляться посредством регулятора давления воздуха из совместно используемого резервуара в соответствии с потребностью каждого тросового демпфера. Контроллер можно использовать для задания уставок давления в регуляторах давления в соответствии с потребностью каждого тросового демпфера. Каждый тросовый демпфер может иметь свой собственный контроллер или контроллер может функционировать как часть системы подвески и защиты, регулируя подачу воздуха в каждый тросовый демпфер по потребности.
Когда тросовые демпферы используются с контроллером, его можно приспособить и сделать стойким к изменениям утечки вокруг аэростатической опоры в условиях внешней атмосферы, таким, с которыми можно столкнуться на операциях, проводимых в полете, а также обеспечивающим долгосрочное управление по пространственному положению полезной нагрузки. Когда ее используют на подвесной полезной нагрузке, система может сначала медленно увеличивать количество воздуха в демпфере, который несет статическую нагрузку, до тех пор, пока нагрузка не поднимется и поршень не достигнет положения равновесия. В течение следующей фазы работы, система контроллера может принимать информацию о положении поршней из датчиков, которые непрерывно контролируют каждый цилиндр или траверсу. Затем можно подвергнуть эти данные низкочастотной фильтрации с использованием частоты среза, которая значительно ниже резонансной частоты системы «демпфер - полезная нагрузка», чтобы обеспечить обратную связь с давлениями в пневматической системе.
Контроллер может считывать входные сигналы из множества входных датчиков, способствуя любой из нижеследующих возможностей: управлению тросовым демпфером или системой подвески и защиты; использованию измерительных преобразователей перемещения для оперативного контроля ходов поршней и тем самым - местоположения полезной нагрузки на носителе; оперативному контролю движения шкивов или полезной нагрузки посредством исполнительных механизмов привода скорости вращения и гироскопов; оперативному контролю пневматической системы и окружающей атмосферы посредством манометров, термометров, барометров и оперативному контролю движения полезной нагрузки посредством тахометров, акселерометров, креномеров, исполнительных механизмов привода скорости вращения и гироскопов.
Контроллер может выполнять ряд функций управления источником давления воздуха. Одна функция может гарантировать, что положение равновесия поршня внутри цилиндров находится в точке приблизительно на полпути его хода, тем самым обеспечивая максимальную длину полного хода. Еще одна функция может управлять аспектами пространственного положения полезной нагрузки, такими как поддержание ее уровня. Функции управления могут согласовывать изменения скоростей утечки по поршню на аэростатических опорах, которые могут изменяться в соответствии с такими переменными, как положение поршня, температурой и передвижкой нагрузки. В отсутствие такой функции управления, поддержание положения оптимального равновесия поршня в некоторых вариантах осуществления данного изобретения может оказаться затруднительным.
Таким образом, тросовый демпфер предоставляет ряд преимуществ над известными техническими решениями. Многие из этих преимуществ имеют значение, в частности, для сбора АЭМ данных с низким уровнем шума. Подытоживая, можно сказать о тросовом демпфере, что:
он обеспечивает средство защиты с помощью подвески с исключительно низким трением, тем самым обеспечивая защиту от вибраций с малой амплитудой даже на низких частотах;
его резонансная частота легко настраивается путем изменения объема подсоединенного накопительного резервуара, давления или обоих этих параметров;
его можно устанавливать над полезной нагрузкой, минимизируя прочностные требования в летательном аппарате-носителе и максимизируя объем, в котором может двигаться полезная нагрузка;
он экономит пространство, поскольку ось перемещения цилиндра не должна иметь одинаковую ориентацию с опорой полезной нагрузки или находиться близко к ней; а если так, то тросовый демпфер можно легко «спрятать» в удобном месте, отдаленном от подвесной полезной нагрузки;
любые металлические или магнитные компоненты тросового демпфера можно размещать на некотором расстоянии от полезной нагрузки;
положение равновесия каждого тросового демпфера можно непрерывно изменять посредством контроллера, чтобы оптимизировать идеальное поведение полезной нагрузки, например, ее уровень;
тросовый демпфер не требует подвода электрической мощности для сообщения любых прикладываемых сил;
контроллер можно размещать на таком расстоянии от полезной нагрузки, что любой электромагнитный шум, который он может генерировать, будет иметь пренебрежимо малое влияние на полезную нагрузку;
тросовый демпфер может быть относительно легким по сравнению с системами, состоящими из металлических компонентов и электрических машин;
любые требуемые насосы для подачи воздуха можно размещать на некотором расстоянии от полезной нагрузки, ослабляя влияние их электромагнитного, акустического и вибрационного шума на любую полезную нагрузку.
Помимо этого, есть ряд преимуществ применения системы подвески и защиты, содержащей тросовые демпферы для защиты полезной нагрузки от вибраций носителя для АЭМ съемок. Эти преимущества заключаются в следующем:
благодаря малому трению тросовых демпферов будет происходить эффективное гашение вибраций с исключительно малой амплитудой;
использование пневматики обеспечивает настройку отдельных демпферов на «формирование» вибрационных мод полезной нагрузки, удовлетворяющих условиям полета;
использование тросов и поддержки сверху позволяет внедрить демпферы в структуру буксировочной платформы, экономя значительное пространство;
подход, который предусматривает подвешивание сверху и стал возможным благодаря тросовым демпферам, позволяет размещать любые металлические детали системы подвески и защиты, размещаемые на буксировочной платформе, как можно дальше от датчиков;
подход, предусматривающий подвешивание сверху, также минимизирует прочностные требования носителя за счет расположения опорной точки подвески наверху носителя близко к точке буксировки;
в случае системы стабилизации, описанной в патенте США № 20110175604A1, следует отметить, что особенности этой системы работают наиболее эффективно, если корзина поддерживается на как можно более близком уровне, а систему контроллера, координирующую положение равновесия каждого демпфера, можно оптимизировать для соответствия этому условию.
Краткое описание чертежей
На фиг.1a показан вид сверху механизмов тросового демпфера;
на фиг.1b показан вид сбоку механизмов тросового демпфера;
на фиг.1с показан вид с торца механизмов тросового демпфера;
на фиг.1d показан вид механизмов траверсы;
на фиг.2 представлена схема пневматической системы управления для тросового демпфера;
на фиг.3 показан предпочтительный вариант осуществления буксировочной рамы;
на фиг.4а показано схематическое сечение, иллюстрирующее аспекты системы подвески и защиты в предпочтительном варианте осуществления;
на фиг.4b показан схематический вид в плане, иллюстрирующий аспекты системы подвески и защиты в предпочтительном варианте осуществления; и
на фиг.5 показано шасси тросового демпфера, установленное на буксировочной платформе, в предпочтительном варианте осуществления.
Описание предпочтительного варианта осуществления
Предпочтительный вариант осуществления изобретения включает в себя компоновку тросовых демпферов. Он обеспечивает устройство и способ осуществления системы подвески и виброзащиты в буксируемом носителе для АЭМ съемок с помощью тросовых демпферов. Пример носителя, в котором возможен монтаж согласно предпочтительному варианту осуществления, описан в патенте США № 20110175604 (Polzer и др.). В патенте США № 20110175604 предложены способ и устройство для защиты датчика от движений транспортного средства-носителя, при этом основное внимание уделяется получению АЭМ данных с малым уровнем шума вплоть до нижнего предела приблизительно 3 Гц. Носитель, описанный в этом патенте, содержит буксировочную раму, находящуюся в верхней части буксируемого летательного аппарата-носителя. Полезная нагрузка подвешена под буксировочной рамой и движется в пределах открытого пространства на носителе под буксировочной рамой. Поскольку интересующая низшая частота сбора электромагнитных данных составляет 3 Гц, резонансная частота системы подвески и защиты в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения ориентирована на значение 1/2 Гц.
Предпочтительный вариант осуществления данного изобретения включает себя набор, по существу, вертикальных и набор, по существу, горизонтальных тросовых демпферов 10. Упомянутые, по существу, вертикальные тросовые демпферы 10 должны выдерживать вес полезной нагрузки, а также защищать полезную нагрузку от вертикальных ускорений системы. Упомянутые, по существу, горизонтальные тросовые демпферы нужны только для защиты полезной нагрузки от горизонтальные ускорений и не выдерживают значительную нагрузку. При монтаже в реальных условиях, упомянутые, по существу, «горизонтальные» элементы подвески будут в общем случае располагаться под углом небольшого, но все же наклона, и поэтому также будут нести часть веса полезной нагрузки.
Механическая система тросового демпфера в предпочтительном варианте осуществления изображена на фиг.1. Каждая такая механическая система состоит из пары идентичных цилиндров А на аэростатических опорах, траверсы B, троса C и шкива D. Цилиндры А на аэростатических опорах и шкив D надежно установлены на жесткое шасси E. Цилиндры А на аэростатических опорах прикладывают к штокам F поршней толкающую силу посредством головки К поршня. Концы штоков поршней, соединенные один с головкой поршня, а другой - с траверсой, оканчиваются сочленяющими сферическими шарнирами. Головка поршня, штоки поршней и траверса вместе образуют подвижный узел, компоненты которого движутся синхронно. Для поддержания точки приложения силы на оси цилиндра движение траверсы ограничено системой линейных направляющих и каретки. Эта система содержит две цилиндрические воздушные втулки J, которые направляются парой прецизионных шлифованных валов M, также надежно установленных на шасси E. Воздушные втулки подпитываются от коллектора Н внутри траверсы, который подпитываются посредством одиночного отверстия G. В коллектор траверсы подается сжатый воздух через малый гибкий спиральный воздуховод (не показан). Толкающая сила штоков, действующая на траверсу, уравновешивается за счет симметрии поршней и за счет совместного использования впускных отверстий цилиндров L с общим накопительным и питательным коллектором. Сила траверсы работает, противодействуя натяжению троса C, который прикреплен к траверсе B в точке, находящейся посредине между двумя осями цилиндров. Трос C проведен между цилиндрами и по колесу D шкива. Тросы нескольких демпферов используются совместно для подвески и защиты полезной нагрузки.
Важно, что подвесная нагрузка может двигаться относительно набора тросовых демпферов, крепящихся сверху и вокруг полезной нагрузки. Это означает, что система должна приспосабливаться к разным траекториям тросов подвески относительно узла демпферов. Чтобы обеспечить эту свободу с одновременным сведением трения шкивов к минимуму, шкивы крепят таким образом, что они могут поворачиваться на оси, почти совершенно выровненной с траекторией троса между шкивом и траверсой.
Пневматическая система для тросового демпфера в предпочтительном варианте осуществления описана на фиг.2. Эта пневматическая система состоит из регулятора 21 давления, управляемого контроллером 22. Воздух подается во впускные отверстия обоих цилиндров А тросового демпфера через насадок 23, ограничивающий поток и разделяющий буферный резервуар 24 воздуха и накопительный резервуар 25. К полезной нагрузке 30 посредством троса С, прикрепленного к траверсе В, которая прикреплена к спаренным штокам F поршней (фиг.1 и 2), прикладывается сила виброзащиты. Для определения расстояния, проходимого поршнем с конца его хода, можно использовать устройство 26 измерения дальности, посредством которого контроллер 22 может регистрировать и обрабатывать дальности, обеспечивая такое управление давлением, которое позволит поддерживать среднее положение поршня по центру в цилиндре. Такое управление можно осуществить посредством усреднения дальностей в промежутке времени, по меньшей мере, в десять раз превышающем величину, обратную резонансной частоте цилиндров.
Резонансную частоту демпфера настраивают путем изменения объема накопительного резервуара 25. Насадок 23 должен быть достаточно большим, чтобы утечка из аэростатических опор внутрь цилиндров не создавала избыточный перепад давления между резервуаром 24 и цилиндрической камерой A. Объем буферного резервуара 24 сделан достаточно большим, так что флуктуации его давления, обуславливаемые флуктуациями в объеме А цилиндрической камеры во время колебаний с максимальной амплитудой на резонансной частоте, оказываются незначительными.
Предпочтительный вариант осуществления включает в себя контроллер 22, в котором используется пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритм. Этот ПИД алгоритм используется либо для повышения, либо для понижения давления, устанавливаемого регулятором давления, а целью является поддержание положения поршня мало изменяющимся относительно точки равновесия. Точку равновесия можно заранее задать соответствующей центру диапазона перемещения поршня, чтобы максимизировать ход, или ее можно непрерывно изменять на основании входных сигналов из других устройств, таких как акселерометр, подсоединенный к полезной нагрузке. Таким образом, можно достичь и другого оптимального поведения, такого как поддержание уровня полезной нагрузки, когда пространственное положение носителя изменяется.
Задачей предпочтительного варианта осуществления данного изобретения является разработка системы подвески и защиты. Система подвески и защиты содержит набор из шести тросовых демпферов 10, которые подвешивают полезную нагрузку и защищают ее от вибраций носителя. Полезная нагрузка содержит подвешиваемую корзиночную приборную платформу («корзину») 40. Корзина 40 подвешена на верхней структуре - «буксировочной платформе» 50. Вся система носителя, буксировочной рамы и полезной нагрузки подробно описана в патенте США № US20110175604A1 (Polzer и др.). Однако в этом патенте не указаны средства подвески и виброзащиты корзины и полезной нагрузки, которые предложены в данном изобретении.
В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения, система подвески и защиты смонтирована на упомянутой буксировочной платформе 50 (фиг.3), которая имеет приблизительно полусферическую форму. Упомянутая буксировочная платформа 50 содержит меньшее верхнее кольцо 51, которое связано с большим коаксиальным кольцом-основанием 52 посредством системы радиальных подпорок 53 и диагональных раскосов 54 (фиг.3). Буксировочная платформа 50 прикреплена к буксировочному тросу посредством двух полуосей 60, 60’, установленных на кольце-основании 52. Система подвески и защиты согласно данному изобретению подвешивает корзину 40 и тем самым защищает приборную платформу от вибраций носителя.
В предпочтительном варианте осуществления, система подвески и защиты содержит шесть тросовых демпферов 10 двух типов. Три тросовых демпфера 10 первого типа прикладывают к полезной нагрузке силу, по существу, в вертикальном направлении. Эти тросовые демпферы 10 первого типа со шкивом D, находящимся около верхнего кольца 51 упомянутой буксировочной платформы 50, исключают большинство статической нагрузки и, по существу, защищают полезную нагрузку от вертикальных вибраций носителя. Три тросовых демпфера 10 второго типа со шкивом D, находящимся около кольца-основания 52 упомянутой буксировочной платформы 50, прикладывают силу, по существу, в радиальном направлении и тем самым защищают корзину от поперечных вибраций носителя. Хотя предпочтительный вариант осуществления включает в себя шесть тросовых демпферов 10, в равной мере жизнеспособна и симметричная компоновка восьми демпферов 10.
На фиг.4 аспекты системы подвески и защиты показаны как схематическое сечение (фиг.4а) и как вид в плане (фиг.4b). Эти чертежи схематически иллюстрируют корзину 40, верхнее кольцо 51 и кольцо-основание 52 буксировочной платформы 50, тросовые демпферы, 10, шкивы D и тросы C, которые проходят мимо шкивов тросовых демпферов к корзине. Сечение согласно фиг.4a иллюстрирует размещение двух тросовых демпферов на буксировочной раме, находящейся в сечении S1-S2. На левой стороне фиг.4a изображен тросовый демпфер, обеспечивающий защиту от горизонтального (радиального) движения, при этом его шкив D находится около нижней части буксировочной платформы. На левой стороне рассматриваемого чертежа изображен тросовый демпфер, шкив D которого находится около верхней части буксировочной платформы, так что обеспечивается подвеска и защита от вертикального движения. В предпочтительном варианте осуществления, роли шести таких демпферов чередуются между приданием тросу вертикальной опоры и приданием тросу горизонтальной опоры через интервалы 60 градусов по окружности буксировочной платформы. Размещение в общей сложности шести таких тросовых демпферов по окружности буксировочной рамы иллюстрируется на фиг.4b. В предпочтительном варианте осуществления системы подвески и защиты, тросовые демпферы 10 каждого типа накладываются через интервалы 120 градусов по окружности буксировочной платформы 50. Направление натяжения троса чередуется от в основном вертикального до в основном горизонтального путем изменения на противоположное направления вверх или вниз для каждого последующего тросового демпфера 10, а значит - и местоположения соответствующих шкивов D.
На фиг.5 показан тросовый демпфер 10, шасси E которого отделено от буксировочной платформы. Оно расположено так, что могло бы обеспечить полезной нагрузке вертикальную опору посредством троса. При этой ориентации, цилиндры А на аэростатических опорах парой толкают траверсу В посредством штоков F поршней, тем самым оказывая тянущее воздействие на трос C и поднимая полезную нагрузку. Траверса скользит по валам M, «смазываемым» воздушными втулками J.