CN104598731A - 航天器空间运动的地面等效实验设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了航天器空间运动的地面等效实验设计方法，包括以下步骤：首先将空间运动参数化；然后用量纲分析方法给出空间原型与地面实验模型，利用相似性理论，得到各个运动参数在原型与模型间的映射关系；最后利用映射关系将空间中的任务按照完全相似的要求对应到地面微重力实验环境中。本发明能够在微重力环境中对空间运动进行地面等效实验设计，反映空间运动的实际效果，解决空间运动中可能出现的诸多问题。

Description

航天器空间运动的地面等效实验设计方法

技术领域

本发明涉及地面微重力实验方法与技术领域，特别涉及一种航天器空间运动的地面等效实验设计方法。

背景技术

航天器地面实验是航天领域的又一新兴的研究热点。航天器地面实验能够直观的展现航天任务的完成过程，因此它受到各个国家越来越多的关注和重视。

文献王奇，陈金明.美国的中性浮力模拟器及其应用[J].航天器环境工程，2003(9)：53-59，及文献马爱军，卢来洁，张磊等.美国的中性浮力设备及其应用[J].载人航天，2012(7)：19-25对国外微重力系统及功能进行了分析，约翰逊航天中心、马歇尔宇航中心以及马里兰大学等一批研究机构利用各自的地面实验设施做了大量的研究，但是其主要集中于材料、结构、机构以及航天员训练等方面。

文献何兆伟，师鹏，葛冰等.航天器地面实验的相似性分析方法[J].北京航空航天大学学报，2012，38(4):502－508，及文献齐彧，师鹏，赵育善.三体问题地面实验的相似性分析[J].宇航学报，2013(10)：1410-1416仅仅对二体问题和三体问题建立了地面实验的相似性分析方法，但没有进行普适性的地面等效实验任务设计。

发明内容

为解决现有技术存在的受到实验设备尺寸等因素的影响，地面无法对空间大范围运动、大型机构的操作等进行全尺寸有效模拟的问题，本发明提供了一种航天器空间运动的地面等效实验设计方法，本发明给出了可以适用于空间运动的地面等效实验任务的普适性设计方法。

为实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

航天器空间运动的地面等效实验设计方法，包括以下步骤：首先将空间运动参数化；然后用量纲分析方法给出空间原型与地面实验模型，利用相似性理论，得到各个运动参数在原型与模型间的映射关系；最后利用映射关系将空间中的任务按照完全相似的要求对应到地面微重力实验环境中。

作为本发明的进一步改进，所述设计方法具体包括以下步骤：

步骤一、空间任务的参数化

根据给定的绝对轨道运动任务和相对轨道运动，提取对应航天器的参数信息；利用动力学公式计算需要的空间原型变量大小；空间原型变量包括力F、引力系数μ、速度v、加速度a、角速度ω、角加速度α、冲量I、角动量h、转动惯量J和力矩M^*；

步骤二、等效比例因子的确定

2.1)利用量纲分析法获得模型与原型之间的相似条件，得到原型和模型之间等效的比例因子，建立等效关系；

对于空间原型运动来说，引入三个基本量纲：质量M、长度L及时间T；其他所有相关变量均可由基本量纲表示：力F表示为MLT^-2、引力系数μ表示为L³T^-2、速度v表示为LT^-1、加速度a表示为LT^-2、角速度ω表示为T^-1、角加速度α表示为T^-2、冲量I表示为MLT^-1、角动量h表示为L²T^-1、转动惯量J表示为ML²、力矩M^*表示为ML²T^-2；

2.2)确定三个基本量纲对应的等效比例因子，再确定其他参数对应的等效比例因子；三个基本量纲对应的等效比例因子根据以下公式得到：

i＝1,2,3，分别代表质量M、长度L、时间T；

其他参数的等效比例因子λ_i基于以下公式得到：

${\mathrm{\λ}}_F=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_M}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\μ}}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^3}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_v=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_a=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_I=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_M}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_h=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^2}{{\mathrm{\λ}}_T},---\left(2\right)$

${\mathrm{\λ}}_J={{\mathrm{\λ}}_L}^2{\mathrm{\λ}}_M,{\mathrm{\λ}}_{M^{*}}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^2{\mathrm{\λ}}_M}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}$

i＝4,5,6,......，分别依次代表力F、引力系数μ、速度v、加速度a、角速度ω、角加速度α、冲量I、角动量h、转动惯量J和力矩M^*；

步骤三、地面实验设计与规划

3.1)设定初值，根据地面系统所能够提供的实验空间大小和实验体尺寸，结合长度比例因子λ_L，利用公式(3)，设定关键点位置，并将初始时刻设定为0；

3.2)根据得到的空间模型变量和比例因子λ_i，利用公式(3)可以计算地面模型中对应时刻所需的变量，给出地面实验任务中各个量随时间变化的值，并以这些值作为标称状态，就得到了地面实验任务规划结果。

作为本发明的进一步改进，步骤一具体为：

根据给定的绝对轨道运动任务，在明确轨道原型的基础上，提取航天器质量、尺寸、轨道周期和轨道根数；对于相对轨道运动，知道任务内容的基础上，提取航天器质量和尺寸、关键点位置和飞行时间信息。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明一种航天器空间运动的地面等效实验设计方法，为了得到模拟空间运动的地面等效实验任务，本发明利用相似性理论，根据微重力地面实验场地特点，从动力学等效方面出发，给出了可以适用于空间运动的地面等效实验任务的普适性设计方法，本发明能够在微重力环境中对空间运动进行地面等效实验设计，模拟空间运动的实际效果，为发射前实验解决航天器空间运动中可能出现的诸多问题打下基础。采用缩比尺寸的地面实验如何设计才能逼真反映空间运动的实际效果，达到用实验结果反推真实运动的目的是进行地面实验之前必须解决的问题。因此，空间运动的等效地面实验的设计方法尤为重要。

附图说明

图1为航天器空间运动的地面等效实验任务设计方法流程图。

具体实施方式

对空间运动进行地面等效实验设计，具体包括以下步骤：

步骤一、空间任务的参数化

根据给定的绝对轨道运动任务，在明确轨道原型的基础上，提取航天器质量和尺寸、轨道周期、轨道根数；对于相对轨道运动，知道任务内容的基础上，提取航天器质量和尺寸、关键点(如绕飞终点、交会对接开始点、位置保持点等)位置、飞行时间等信息；

利用动力学相关公式计算需要的空间原型变量大小，包括力F、引力系数μ、速度v、加速度a、角速度ω、角加速度α、冲量I、角动量h、转动惯量J、力矩M^*等。

步骤二、等效比例因子的确定

实验模型的建立首先需保证模型与系统原型遵循相同物理规律，实验模型要能体现原型的全部或主要特性，包括结构、质量、动力学特性等，才能保证天地运动之间的等效。这种等效关系可以通过相似性得到，利用量纲分析法获得模型与原型之间的相似条件，在此基础上得到天(原型)地(模型)之间等效的比例因子，建立等效关系。对于空间运动来说，需引入三个基本量纲:质量M、长度L及时间T，其他所有相关变量均可由基本量纲表示。

由以上三个基本量纲可表示系统的相关变量：力F表示为MLT^-2、引力系数μ表示为L³T^-2、速度v表示为LT^-1、加速度a表示为LT^-2、角速度ω表示为T^-1、角加速度α表示为T^-2、冲量I表示为MLT^-1、角动量h表示为L²T^-1、转动惯量J表示为ML²、力矩M^*表示为ML²T^-2。

为了确定等效实验规划所需的等效比例因子，只需确定三个基本量纲对应的等效比例因子即可，在此基础上再确定其他参数对应的等效比例因子。基本量纲比例因子的确定主要基于地面模型的尺寸大小、质量、运行时间等，若地面模型的这三个参数可以确定，则根据以下公式可以得到三个基本量纲对应的等效比例因子

i＝1,2,3，分别代表质量M、长度L、时间T。

对于地面模型的尺寸大小、质量、运行时间，主要基于地面系统所能够提供的实验空间、模型实际质量、实验演示时间等来确定。其中实验空间是由微重力模拟环境实际尺寸决定的，质量来自于实验模型，而实验时间可以人为设定。

其他参数的等效比例因子λ_i(i＝4,5,6,......，分别依次代表力F、引力系数μ、速度v……)可以基于以下公式得到：

${\mathrm{\λ}}_F=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_M}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\μ}}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^3}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_v=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_a=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_I=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_M}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_h=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^2}{{\mathrm{\λ}}_T},---\left(2\right)$

${\mathrm{\λ}}_J={{\mathrm{\λ}}_L}^2{\mathrm{\λ}}_M,{\mathrm{\λ}}_{M^{*}}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^2{\mathrm{\λ}}_M}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}$

步骤三、地面实验设计与规划

首先设定初值。根据地面系统所能够提供的实验空间大小和实验体尺寸，结合长度比例因子λ_L，利用公式(3)，设定关键点位置，并将初始时刻设定为0。

然后根据得到的空间模型变量和比例因子λ_i，利用公式(3)可以计算地面模型中对应时刻所需的变量，给出地面实验任务中各个量随时间变化的值，并以这些值作为标称状态，就得到了地面实验任务规划结果。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

我们已经进行了相应的实验，证明本发明具有实用性和可实施性。以美国“轨道快车”计划为例，任务内容包括：120m×60m绕飞、接近、位置保持、逼近捕获。提取目标星与追踪星相对距离、运动时间、整星质量和尺寸、关键点位置信息等如下：

追踪星质量952kg(燃料质量136kg)，长度1.8m；目标星226kg，长度约1m；不计算位置保持时间，过程总时间6034s；绕飞运动范围大小120m×60m的椭圆；R-bar相距60m时，启动接近操作；V-bar方向-30m时，位置保持；位置保持后进行逼近捕获。

实验环境为混合悬浮微重力系统，运动水域大小6m×8m，由空间绕飞半径120m×60m，可得长度比例因子为

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sa}}=\frac{240}{6}=40$

由运动总时间t＝6034s，考虑实验模型在运动中不能太快以及演示时间不能过长，假设演示时间为1分钟，则时间比例因子为

${\mathrm{\λ}}_t=\frac{6034}{60}=100.57$

根据完全相似模型的理论可知

${\mathrm{\λ}}_v=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sa}}}{{\mathrm{\λ}}_t}=0.40$

考虑到空间追踪星、目标星的长度和实验系统长度比例因子的大小，不对追踪星、目标星的尺寸进行相似性的缩比，只进行运动轨迹的等效。

首先定义水池坐标系oxyz：定义水池坐标系为：原点o在俯视水池方向的左上角，x轴指向正东方向，y轴指向正南方向，z轴垂直地面向上。

实验环境为混合悬浮微重力系统，运动水域大小6m×8m，为保证充足余量并考虑比例因子，设定如下初值：目标星在水池中心(3,4,2)，实验体初始位置(3,7,2)，绕飞终点(3,4,0.5)，接近终点(3,3.25,2),也是停泊点，交会点(3,4,2)。

由速度比例因子λ_v还可以算出对应实验时间的速度大小，可用来跟踪实验中追踪星的速度，验证导航和控制系统。其他标称状态量也可以根据步骤三得出。

Claims (3)

1.航天器空间运动的地面等效实验设计方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将空间运动参数化；然后用量纲分析方法给出空间原型与地面实验模型，利用相似性理论，得到各个运动参数在原型与模型间的映射关系；最后利用映射关系将空间中的任务按照完全相似的要求对应到地面微重力实验环境中。

2.根据权利要求1所述的航天器空间运动的地面等效实验设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、空间任务的参数化

根据给定的绝对轨道运动任务和相对轨道运动，提取对应航天器的参数信息；利用动力学公式计算需要的空间原型变量大小；空间原型变量包括力F、引力系数μ、速度v、加速度a、角速度ω、角加速度α、冲量I、角动量h、转动惯量J和力矩M^*；

步骤二、等效比例因子的确定

2.1)利用量纲分析法获得模型与原型之间的相似条件，得到原型和模型之间等效的比例因子，建立等效关系；

对于空间原型运动来说，引入三个基本量纲：质量M、长度L及时间T；其他所有相关变量均可由基本量纲表示：力F表示为MLT^-2、引力系数μ表示为L³T^-2、速度v表示为LT^-1、加速度a表示为LT^-2、角速度ω表示为T^-1、角加速度α表示为T^-2、冲量I表示为MLT^-1、角动量h表示为L²T^-1、转动惯量J表示为ML²、力矩M^*表示为ML²T^-2；

2.2)确定三个基本量纲对应的等效比例因子，再确定其他参数对应的等效比例因子；三个基本量纲对应的等效比例因子根据以下公式得到：

i＝1,2,3，分别代表质量M、长度L、时间T；

其他参数的等效比例因子λ_i基于以下公式得到：

${\mathrm{\λ}}_F=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_M}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\μ}}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\μ}}}^3}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_v=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2},{\mathrm{\λ}}_I=\frac{{\mathrm{\λ}}_L{\mathrm{\λ}}_M}{{\mathrm{\λ}}_T},{\mathrm{\λ}}_h=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^2}{{\mathrm{\λ}}_T},---\left(2\right)$

${\mathrm{\λ}}_J={{\mathrm{\λ}}_L}^2{\mathrm{\λ}}_M,{\mathrm{\λ}}_{M^{*}}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_L}^2{\mathrm{\λ}}_M}{{{\mathrm{\λ}}_T}^2}$

i＝4,5,6,......，分别依次代表力F、引力系数μ、速度v、加速度a、角速度ω、角加速度α、冲量I、角动量h、转动惯量J和力矩M^*；

步骤三、地面实验设计与规划

3.1)设定初值，根据地面系统所能够提供的实验空间大小和实验体尺寸，结合长度比例因子λ_L，利用公式(3)，设定关键点位置，并将初始时刻设定为0；

3.2)根据得到的空间模型变量和比例因子λ_i，利用公式(3)可以计算地面模型中对应时刻所需的变量，给出地面实验任务中各个量随时间变化的值，并以这些值作为标称状态，就得到了地面实验任务规划结果。

3.根据权利要求2所述的航天器空间运动的地面等效实验设计方法，其特征在于：步骤一具体为：

根据给定的绝对轨道运动任务，在明确轨道原型的基础上，提取航天器质量、尺寸、轨道周期和轨道根数；对于相对轨道运动，知道任务内容的基础上，提取航天器质量和尺寸、关键点位置和飞行时间信息。