[發明專利]一種航天器軟著陸模擬實驗裝置及模擬方法

有效

• 申請號: 201611046469.4
• 申請日: 2016-11-23
• 公開（公告）號: CN106628280B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 文浩;成龍;金棟平
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64G7/00
• 分類號: B64G7/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明屬于力學、控制、航空等技術領域，具體指一種航天器軟著陸模擬實驗裝置及模擬方法，其可應用于航天著陸器軟著陸物理仿真試驗。

背景技術

隨著空間科學技術的快速發展，人類探測太空的腳步不斷加快。實現對近地行星甚至深空探測任務的首要前提，是要在天體表面精確著陸，如月球與火星探測器的軟著陸。太空探索工程具有巨大復雜性，其各任務環節還存在大量不確定因素，導致著陸航天器容易出現著陸精度不足，甚至任務的失敗。未來航天科技的發展特別是深空探測任務都需要發展高精度軟著陸技術。然而，航天器軟著陸任務涉及的動力學與控制問題通常非常復雜，往往具有強不確定性、強非線性和強耦合性。解決此類問題不但需要涉及多個學科和工程領域的先進理論和技術，同時也是具有眾多復雜環節的系統工程。航天器軟著陸的動力學與控制問題已成為各國相關研究機構和高校共同關注的前沿課題。由于航天器軟著陸在軌飛行試驗代價高昂，迫切需要探索經濟、有效的前期實驗驗證技術，以提高技術成熟度，規避任務風險，降低實施成本。然而目前針對航天器軟著陸的地面實驗研究工作相當匱乏，相關理論和技術都亟待發展。

發明內容

針對現有技術中存在的缺點，本發明提出了一種航天器軟著陸模擬實驗裝置及模擬方法，利用氣浮仿真器和小角度傾斜平臺對航天器軟著陸任務進行地面實驗模擬的裝置，可用于航天器軟著陸器系統的研發、驗收和鑒定試驗。

本發明是這樣實現的，一種航天器軟著陸模擬實驗裝置，包括小角度傾斜平臺，借助小角度傾斜平臺對重力作用進行縮比等效；所述的小角度傾斜平臺的其中一端部的下側連接有小型液壓同步調整系統；所述的小角度傾斜平臺上設置有著陸器模擬件；所述的著陸器模擬件的下表面安裝有氣浮氣墊，通過氣浮氣墊支撐實現面內基本無阻運動；所述的著陸器模擬件的上表面貼有輕質熒光反射片；所述的著陸器模擬件側面安裝有冷氣推力噴管，通過實時調整著陸仿真器機載各冷氣推力噴管的方向或對各噴管進行開關控制，實現著陸仿真器面內三自由度運動控制；所述的實驗裝置還設置有雙目計算機視覺系統；在著陸仿真器上表面貼輕質熒光反射片，利用雙目計算機視覺系統確定標識點位置信息，由此實現著陸仿真器狀態的無接觸測量。

進一步，所述的輕質熒光反射片的數目為3個，在實際應用中輕質熒光反射片的數目兩個也是可以完成，但是通過3個形成的固定三角結構，能夠更加精準確定輕質熒光反射片所在的坐標，從而確定輕質熒光反射片的位置，能確定著陸仿真器的轉角。

本發明還公開了一種航天器軟著陸模擬實驗裝置的模擬方法，具體步驟如下：

步驟1，利用等比縮放的辦法實現地面實驗系統與真實系統的力學等效；

步驟2，通過氣浮平臺的氣墊支撐，將著陸仿真器置于小角度傾斜平臺上；

步驟3，根據在著陸仿真器上表面貼輕質熒光反射片，利用雙目計算機視覺系統確定標識點位置信息，實現著陸仿真器狀態的無接觸測量；

步驟4，根據控制器輸出指令實時調整冷氣推力噴管的方向或對其進行開關控制，實現著陸仿真器的運動控制。

進一步，所述的步驟1具體為：

1.1，根據縮比系數δ確定期望的縮比重力加速度值：

式中，g為真實重力加速度；

1.2，通過調節斜坡，即氣浮基礎平臺的傾角，使得重力加速度沿斜坡上平面的有效分量等于實現重力加速度的縮比等效；縮比系數δ與斜坡傾角應滿足以下關系：

1.3，進一步由縮比系數可確定斜坡傾角為：

θ＝arcsinδ；

1.4，對真實外力進行縮比；將真實系統所受噴氣力大小記為F，其在實驗系統中的縮比值記為所致的平動加速度大小分別記為a和取真實系統與實驗系統質量相等，則有：

1.5，同理，噴氣力F所得力矩值M和角加速度值α與其縮比量和的關系為：

進一步，所述的步驟3具體為：通過三個輕質熒光反射片的位置，確定著陸仿真器的轉角φ，公式為：

其中x₁′，y₁′分別為1號熒光反射片移動后的坐標值，x₂′，y₂′分別為2號熒光反射片移動后的坐標值，x₃′，y₃′分別為3號熒光反射片移動后的坐標值。