CN109974959B - 一种碰撞吸附试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种碰撞吸附试验装置及试验方法，其中碰撞吸附试验装置包括自由硬碰撞器和电机驱动软碰撞器。分别开展吸附材料碰撞试验和吸附机构碰撞试验。吸附材料碰撞试验能掌握材料的动态吸附性能指标，从而为吸附机构设计提供输入，吸附机构碰撞试验同时验证吸附机构动态吸能效果和足部吸附材料真实碰撞状态。其中吸附机构碰撞试验在大气环境下试验成功后，会进入真空罐模拟在轨碰撞过程。

Description

一种碰撞吸附试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种碰撞吸附试验装置及试验方法，用于检验碰撞吸附机构和吸附材料的有效性，属于空间操控的碰撞吸附领域。

背景技术

碰撞吸附是一种空间操控手段，适用于微小型卫星和微小型机器人平台，这里也称为追踪星，可以用于目标星在轨捕获、星表巡游等领域，是未来航天器在轨服务和空间攻防的关键技术。也可用于壁面爬行的壁虎机器人。

碰撞吸附成功需要随形吸附捕获机构和仿生吸附材料相互配合。目标星和追踪星空间进行弱碰撞，追踪星借助吸附材料和吸附机构能够成功吸附在目标星上。碰撞发生时，碰撞力相当于施加在吸附材料上的预压力，使吸附材料产生吸附力，碰撞力的反作用力反弹力若大于吸附力，追踪星与目标星吸附不成功，反弹力若小于吸附力表明吸附成功。吸附机构是让反弹力小于吸附力并使碰撞力相对长时间持续的关键装置。目前，吸附材料动态瞬间碰撞吸附性能很难掌握，存在追踪星成功吸附碰撞速度范围不确定的问题，成功碰撞吸附最佳速度更无法确定，碰撞吸附过程中吸附机构和吸附材料的作用规律和机理的有效性很难评估；吸附机构和吸附材料技术成熟度都不高，需要模拟碰撞全过程来指导吸附机构和吸附材料的改进。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种碰撞吸附试验装置及试验方法，能够验证吸附机构和吸附材料动态瞬间碰撞吸附性能。

本发明的技术解决方案是：

一种碰撞吸附试验装置，包括：自由硬碰撞器和电机驱动软碰撞器，自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能，电机驱动软碰撞器验证吸附机构碰撞过程中，将动能转化为弹性势能固化的性能；所述吸附机构是将碰撞动能转化为弹簧弹性势能的装置，使碰撞过程时间加长，即吸附材料预压力时间加长，并使反弹力最大程度的降低，该装置的接受碰撞前端设置有吸附材料或者足垫与吸附材料的组合。

吸附材料用于碰撞时吸附在目标表面，足垫用于降低碰撞时反弹力的峰值，令吸附材料产生的吸附力大于碰撞时的反弹力。

所述自由硬碰撞器包括追踪星质量块系留超轻质绳、追踪星模拟质量块、弹簧秤勾环、吸附材料凸起连接件、目标星质量块系留超轻质绳、目标星模拟质量块、目标星星表材料、桁架、桁架基座、滑动滚珠、可升降支架、光滑面板以及量角器刻度盘；

追踪星模拟质量块通过追踪星质量块系留超轻质绳连接在桁架上，量角器刻度盘装配在桁架上，用于测量追踪星质量块系留超轻质绳的摆动角度；

追踪星模拟质量块前端设置有吸附材料凸起连接件，吸附材料凸起连接件前端粘接有吸附材料或者足垫与吸附材料的组合，追踪星模拟质量块后端装配弹簧秤勾环，用于通过弹簧秤测量碰撞吸附后吸附材料的脱附力；

目标星模拟质量块通过目标星质量块系留超轻质绳连接在桁架上，目标星模拟质量块前端粘贴有目标星星表材料，桁架与桁架基座装配在一起，形成双摆设施的吊挂承力机构；光滑面板下端与可升降支架装配在一起，光滑面板上放置着多个滑动滚珠。

在自由静止状态下，追踪星质量块系留超轻质绳过量角器刻度盘中心。

目标星星表材料与吸附材料凸起连接件前端粘接的吸附材料或者足垫与吸附材料的组合相对应，发生碰撞时，碰撞类型为正交碰撞。

滑动滚珠数量不小于100个，每个滑动滚珠直径相同，均不大于3mm。

电机驱动软碰撞器包括第一滑轨、测速测距传感器、第二滑轨、推进器、目标星质量模拟器、撞击及吸附力测量仪、目标星表面材料面板、挂接吸附机构接口、反弹力测量仪、追踪星质量模拟器、目标星模拟器基座以及追踪星模拟器基座；

第一滑轨焊接在目标星模拟器基座上，目标星质量模拟器通过滑块连接到第一滑轨上，目标星表面材料面板装配在目标星质量模拟器上且与目标星质量模拟器之间设置有撞击及吸附力测量仪；

第二滑轨焊接在追踪星模拟器基座上，第二滑轨前端装配有测速测距传感器，后端装配有推进器，用于推动通过滑块连接在第二滑轨上的追踪星质量模拟器沿第二滑轨移动；

吸附机构通过挂接吸附机构接口连接在追踪星质量模拟器上，装在追踪星质量模拟器上的反弹力测量仪用于测量吸附机构的回弹惯性力；吸附机构前端依次设置有吸附材料和足垫。

还包括推进器速度控制器、调速器、电机、真空罐和控制平台；

速度控制器、调速器以及电机在控制平台的控制下，控制推进器的速度；电机驱动软碰撞器中除控制平台设置在真空罐外部，其余组成部分均设置在真空罐内部。

一种基于所述碰撞吸附试验装置实现的碰撞吸附试验方法，步骤如下：

(1)通过自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能，筛选出吸附材料和足垫；具体为：

(1.1)在吸附材料凸起连接件前端粘接吸附材料，目标星模拟质量块挂在桁架上，令追踪星模拟质量块和目标星模拟质量块发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料上，从而确定出吸附材料能够吸附在目标星星表材料上的碰撞速度范围；

(1.2)在吸附成功的情况下，使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环测量吸附材料吸附在目标星星表材料上之后的脱附力，从而确定脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

(1.3)将目标星模拟质量块从桁架上取下，水平放置在光滑面板上的多个滑动滚珠上；

(1.4)使用碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤(1.2)中测量得到的速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤(1.5)；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳和目标星质量块系留超轻质绳，返回步骤(1.1)重新测试；

(1.5)在吸附材料凸起连接件和吸附材料之间粘接足垫；目标星模拟质量块挂在桁架上；

(1.6)令追踪星模拟质量块和目标星模拟质量块发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料上，从而确定出在装备足垫之后，吸附材料能够吸附在目标星星表材料上的碰撞速度范围；

(1.7)使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环测量吸附材料吸附在目标星星表材料上之后的脱附力，从而确定装备足垫之后，脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

(1.8)将目标星模拟质量块从桁架上取下，水平放置在光滑面板上的多个滑动滚珠上；

(1.9)使用在装备足垫之后的碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤(1.7)中测量得到的速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤(1.10)；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳和目标星质量块系留超轻质绳，返回步骤(1.6)重新测试；

(1.10)根据在装备足垫之后得到的脱附力与碰撞速度之间的对应关系，优选吸附材料和足垫，使得在吸附材料能够吸附在目标星星表材料上时，脱附力最大且碰撞速度范围最大。

(2)基于所述步骤(1)筛选出吸附材料和足垫，通过电机驱动软碰撞器验证吸附机构碰撞过程中，将动能转化为弹性势能的性能，具体为：

(2.1)进行完自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能后，将优选的吸附材料和足垫粘接在吸附机构前端；

(2.2)替换吸附机构内用于动能转势能的弹簧，控制追踪星质量模拟器(25)撞击目标星质量模拟器，选择脱附力最大的弹簧；

(2.3)替换足垫，用于降低反弹力峰值，使得足垫的柔性缓冲反应时间与反弹力峰值瞬态时间相对应；

(2.4)在目标星表面材料面板上添加同材料凹凸外形，控制追踪星质量模拟器撞击目标星质量模拟器，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板具有凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.5)令添加了同材料凹凸外形的目标星表面材料面板倾斜放置，控制追踪星质量模拟器撞击目标星质量模拟器，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板具有倾斜放置的凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.6)将电机驱动软碰撞器中除控制平台以外的组成部分放置在真空罐(29)内部进行碰撞试验。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)由于碰撞吸附捕获本身具有创新性，因此，通过自由硬碰撞器、电机驱动软碰撞器的发明，解决碰撞吸附捕获设备和材料研制过程中存在的问题，是现有技术无法做到的。本法发明提出的自由硬碰撞器，解决吸附材料动态瞬间碰撞性能测试评估问题。

吸附材料是利用范德华力进行表面吸附的，吸附材料刚毛疏密度、刚毛形状、多级刚毛、制备刚毛材料本身及结构等因素都会影响碰撞吸附的性能。试验过程中定量掌握吸附材料足垫柔软度、瞬间碰撞预压力大小、脱附力大小、吸附持久时间、成功吸附追踪块质量与吸附材料大小的比例关系等指标。吸附材料动态瞬间碰撞性能表现最佳并趋于稳定的情况下，才开始进行下一步吸附机构性能测试试验。

(2)本发明中的电机驱动软碰撞器，通过反复试验确定追踪星成功吸附碰撞速度范围和吸附机构弹簧变形情况等因素确定碰撞吸附最佳速度。

(3)发明电机驱动软碰撞器，解决碰撞过程中受力和能量变化的强耦合问题。通过此套试验装置，获取仿真需要的物性参数，并最终与理论仿真分析结果进行比对。通过试验与理论相结合的手段研究吸附材料性能、碰撞速度、吸附机构阻尼和吸能效果、碰撞过程碰撞力/反弹力和吸附力之间的关系，从而发现吸附机构碰撞过程中的规律和机理。

(4)发明电机驱动软碰撞器，进行热真空试验，模拟在轨环境的真实情况，验证吸附材料高低温、真空环境的适应性。验证吸附机构高低温真空环境适应性，如发现足垫胶材料不适合高低温环境、万向轴脱油、万向轴表面橡胶材料真空老化程度加快等问题。

(5)吸附机构和吸附材料技术成熟度都不高，可以根据以上试验结果，模拟碰撞全过程来指导吸附机构和吸附材料的改进。

附图说明

图1自由硬碰撞器的结构组成示意图；

图2电机驱动软碰撞器的结构组成示意图；

具体实施方式

本发明提出的一种碰撞吸附试验装置，包括：自由硬碰撞器和电机驱动软碰撞器，如图1和图2所示。自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能，电机驱动软碰撞器验证吸附机构碰撞过程中，将动能转化为弹性势能固化的性能；吸附机构是将碰撞动能转化为弹簧弹性势能的装置，该装置的接受碰撞前端设置有吸附材料或者足垫与吸附材料的组合。吸附材料用于碰撞时吸附在目标表面，足垫用于降低碰撞时反弹力的峰值，令吸附材料产生的吸附力大于碰撞时的反弹力。

1、自由硬碰撞器

自由硬碰撞器包括追踪星质量块系留超轻质绳1、追踪星模拟质量块2、弹簧秤勾环3、吸附材料凸起连接件4、目标星质量块系留超轻质绳6、目标星模拟质量块7、目标星星表材料8、型材桁架9、桁架基座10、大量细小的滑动滚珠11、可升降支架12、光滑面板13、量角器刻度盘14；

追踪星模拟器部分包括：追踪星质量块系留超轻质绳1一端与型材桁架9系留，量角器刻度盘14与型材桁架9装配在一起，追踪星质量块系留超轻质绳1过量角器刻度盘14中心，另一端与追踪星模拟质量块2系留，追踪星模拟质量块2前端装配吸附材料凸起连接件4，后端装配弹簧秤勾环3，吸附材料凸起连接件4与吸附材料或者足垫5与吸附材料的组合胶粘在一起。试验时先是吸附材料，之后加入足垫。足垫在吸附材料凸起连接件4与吸附材料之间。

目标星模拟器部分包括：目标星质量块系留超轻质绳6一端与型材桁架9系留，另一端与目标星模拟质量块7系留，目标星模拟质量块7前端胶粘目标星星表材料8。型材桁架9与桁架基座10装配在一起，形成双摆设施的吊挂承力机构。光滑面板13下端与可升降支架12装配在一起，上端放置着大量细小的滑动滚珠11。

目标星星表材料8与吸附材料凸起连接件4上粘接的吸附材料或足垫和吸附材料相对应，发生碰撞时，碰撞类型为正交碰撞。

本发明中滑动滚珠11数量不小于100个，每个滑动滚珠11直径相同，均不大于3mm。

采用自由双摆硬碰撞器，首先是使追踪星模拟质量块2上的碰撞点吸附材料5和目标星模拟质量块7上的碰撞点目标星星表材料8完全正交贴附，然后固定追踪星质量块系留超轻质绳1目标星质量块系留超轻质绳6，并使其平行。自由硬碰撞器利用追踪星模拟器的势能变动能撞击目标星模拟器，撞击速度由追踪星模拟器绳摆拉开的高度决定，碰撞点是吸附材料5与目标星星表材料8发生完全贴附的正交碰撞。为了防止追踪星质量块系留超轻质绳1和目标星质量块系留超轻质绳6不稳定干扰，导致碰撞点吸附材料5与目标星星表材料8无法发生完全贴附的正交碰撞，绳子采用柔性细钢丝绳。追踪星质量块系留超轻质绳1和目标星质量块系留超轻质绳6通过光滑转轴与型材桁架9固定连接，追踪星质量块系留超轻质绳1上面有量角器刻度盘14，通过刻度盘能够计算出追踪星质量块系留超轻质绳1拉开的角度，根据绳长计算出追踪星模拟质量块2的高度，碰撞点发生在绳摆的最低点，根据高度计算出碰撞点速度。碰撞过程中追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7进行摆动。追踪星模拟器和目标星模拟器的质量都是经过计算等比例减小的，同时碰撞点是吸附材料5尺寸也进行等比例缩小。吸附成功后，为了测量脱附力，可以利用弹簧秤勾住弹簧秤勾环3，固定目标星模拟质量块7，平行拉弹簧秤进行脱附力测量。

以上自由双摆硬碰撞器初始配置时，首先是使追踪星模拟质量块2上的碰撞点吸附材料5和目标星模拟质量块7上的碰撞点目标星星表材料8完全正交粘附，这就会出现一种情况，若追踪星模拟质量块2速度较低，碰撞很难看出反弹现象，如果初始配置时追踪星模拟质量块2上的碰撞点吸附材料5和目标星模拟质量块7上的碰撞点目标星星表材料8稍微离开一点距离，这样正交碰撞就很难实现。而且自由双摆硬碰撞器即使完全吸附后，也有动能转势能的问题出现，对自由碰撞产生约束较大。而且两条绳子悬吊，绳子本身扰动和不稳定因素较多，试验成功率较低。考虑到以上不利情况，在自由双摆硬碰撞器基础上，添加部组件，实现单摆平行自由碰撞。

单摆平行自由碰撞器是通过可升降支架12调整到支撑目标星模拟质量块7的高度，松开目标星质量块系留超轻质绳6，能使继续悬吊的追踪星模拟质量块2上的碰撞点吸附材料5和目标星模拟质量块7上的碰撞点目标星星表材料8完全正交。拉起追踪星模拟质量块2实施碰撞，碰撞过程中，目标星模拟质量块7利用大量细小的滑动滚珠11进行滑动。在设备不用的时候，使光滑面板13上放置追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7，追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7下面没有大量细小的滑动滚珠11，以避免绳子长期受力绷紧产生变形。

2、电机驱动软碰撞器

本发明提出的电机驱动软碰撞器包括：第一滑轨15、测速测距传感器16、第二滑轨17、推进器18、目标星质量模拟器19、撞击及吸附力测量仪20、目标星表面材料面板21、吸附机构22、挂接吸附机构接口23、反弹力测量仪24、追踪星质量模拟器25、推进器速度控制器26、调速器27、电机28、真空罐29、控制平台30、目标星模拟器基座31、追踪星模拟器基座32

所述的电机驱动软碰撞器中，目标星模拟器基座31与第一滑轨15焊接在一起，第一滑轨15通过滑块连接到目标星质量模拟器19，撞击及吸附力测量仪20一端装配在目标星质量模拟器19上，另一端与目标星表面材料面板21连接，以上为目标星模拟器连接方式。

追踪星模拟器基座32与第二滑轨17焊接在一起；第二滑轨17前端装配测速测距传感器16，后端装配推进器18，中间通过滑块连接追踪星质量模拟器25，末端连接装配在一起的推进器速度控制器26、调速器27、电机28；追踪星质量模拟器25上装配反弹力测量仪24，挂接吸附机构接口23一端连接反弹力测量仪24，另一端连接吸附机构22；吸附机构前端依次设置有足垫和吸附材料。控制平台30通过信号线与推进器速度控制器26连接。整个电机驱动软碰撞器除了控制平台30在真空罐29外，其他都装在真空罐29内。

目标星模拟器基座31与第一滑轨15焊接在一起，支撑整个上端的目标星模拟器及相关部件，第一滑轨15通过滑块连接到目标星质量模拟器19，在撞击过程中，目标星质量模拟器19能够在第一滑轨15上自由移动，撞击及吸附力测量仪20一端装配在目标星质量模拟器19上，另一端与目标星表面材料面板21连接，撞击及吸附力测量仪20能够准确测出撞击力的动态变化情况，由于吸附机构22前端的吸附材料吸附在目标星表面材料面板21，反弹力也可以通过撞击及吸附力测量仪20测得，以上为目标星模拟器连接方式。

第一滑轨15和第二滑轨17的高度进行精确调整，使碰撞过程中吸附机构22的前端能够随形贴附在目标星表面材料面板21上。追踪星模拟器基座32与第二滑轨17焊接在一起支撑整个追踪星质量模拟器25等设备，推进器速度控制器26、调速器27、电机28推动推进器18以控制的速度推进，推进器18又推动踪星质量模拟器25及携带设备以控制速度向前推进，第二滑轨17有限位装置推进器18以控制速度移动到一定位置后停止，追踪星质量模拟器25及携带设备继续在第二滑轨17上匀速滑动，直至踪星质量模拟器25上的吸附机构22碰撞上目标星表面材料面板21后，目标星质量模拟器19和追踪星质量模拟器25吸附随碰撞过程发生位移变化，追踪星质量模拟器25的速度位置变化由第二滑轨17上的测速测距传感器16测得，若碰撞速度过快，反弹力大于吸附力，目标星质量模拟器19和追踪星质量模拟器25发生脱附，此时反弹力测量仪24测量反弹力后续惯性力的变化情况。在碰撞过程中，反弹力测量仪24测出经过吸附机构缓冲后的反弹力。

由于要进入真空罐29进行试验，所以轨道分为第一滑轨15和第二滑轨17两段，而且高度不一致，这样可以调整整个系统在真空罐29中的尺寸，为真空罐29试验提供最大的尺寸冗余。控制平台30通过信号线连接到真空罐29外的接口，真空罐29外的接口连接到真空罐29内的接口，真空罐29内的接口通过信号线与推进器速度控制器26连接，从而控制平台30可以在真空罐29外直接控制推进器18的速度。

3、具体试验方法

试验分三个步骤进行1.自由硬碰撞、2.电机驱动软碰撞、3.真空罐试验(将电机驱动软碰撞放入真空罐中)

1.自由硬碰撞，利用自由硬碰撞器开展试验，找到材料的吸附成功的最大最小速度，并用弹簧秤测量每次碰撞的脱附力，找到碰撞速度与脱附力之间的关系。根据试验结果和综合因素选着最优材料。在选好材料基础上选择足垫，发现泡沫足垫的性能优于其他柔性足垫的性能，但是泡沫足垫不能在真空环境下使用，因此，选着了一款比较合适的足垫，能够扩展吸附成功的碰撞速度范围。

2.电机驱动软碰撞，利用电机驱动软碰撞器和吸附机构开展试验，首选选择弹簧，发现越软的弹簧，碰撞过程时间长、正压力持续时间长、峰值反弹力小、脱附力适当。再选择足垫，足垫能够使峰值反弹力降低。再研究吸附机构的随形能力，最后根据试验结果和综合因素确定最佳碰撞速度，并进行试验。

3.真空罐试验，发现吸附机构、吸附材料和足垫在冷热真空环境下的问题。

(Ⅰ)自由硬碰撞

试验目的：仿生吸附阵列产生吸附力的前提是需要存在初始预压力，空间两体吸附产生预压力的方法是利用两体间接近速度碰撞产生力实现更为可靠。通过自由硬碰撞器，来近似实现空间两体的自由碰撞，验证仿生吸附材料刚毛阵列的吸附性能，进一步确定合适的碰撞速度，通过吸附材料凸起连接件4与吸附材料5之间夹入柔性足垫明确柔性碰撞的有效性，为后续开展吸附机构碰撞试验提供有效支撑。

试验项目：①通过两刚体的自由碰撞，确定可实现碰撞吸附的合适速度；②通过吸附材料凸起连接件4与吸附材料5之间夹入柔性足垫，通过柔性体对刚体的自由碰撞，确定可实现碰撞吸附的合适速度。

试验过程：试验时按照以下顺序进行①两刚体自由碰撞确定合适的碰撞速度。②柔性体对刚体的自由碰撞确定合适的碰撞速度，其中，柔性体是通过在吸附材料凸起连接件4前端粘贴具有一定柔性特征的缓冲材料来实现的。

具体步骤如下：

1.1、在吸附材料凸起连接件4前端粘接吸附材料，目标星模拟质量块7挂在桁架9上，令追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料8上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料8上，从而确定出吸附材料能够吸附在目标星星表材料8上的碰撞速度范围；

1.2、在吸附成功的情况下，使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环3测量吸附材料吸附在目标星星表材料8上之后的脱附力，从而确定脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

1.3、将目标星模拟质量块7从桁架9上取下，水平放置在光滑面板13上的多个滑动滚珠11上；

1.4、使用碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤1.2中测量得到的速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤1.5；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳1和目标星质量块系留超轻质绳6，返回步骤1.1重新测试；

1.5、在吸附材料凸起连接件4和吸附材料之间粘接足垫；目标星模拟质量块7挂在桁架9上；

1.6、令追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料8上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料8上，从而确定出在装备足垫之后，吸附材料能够吸附在目标星星表材料8上的碰撞速度范围；

1.7、使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环3测量吸附材料吸附在目标星星表材料8上之后的脱附力，从而确定装备足垫之后，脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

1.8、将目标星模拟质量块7从桁架9上取下，水平放置在光滑面板13上的多个滑动滚珠11上；

1.9、使用在装备足垫之后的碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤1.7中测量得到的速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤1.10；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳1和目标星质量块系留超轻质绳6，返回步骤1.6重新测试；

1.10、根据在装备足垫之后得到的脱附力与碰撞速度之间的对应关系，优选吸附材料和足垫，使得在吸附材料能够吸附在目标星星表材料8上时，脱附力最大且碰撞速度范围最大。

试验分析：①对两块刚体追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7进行反复碰撞试验，碰撞速度很小才能吸附上，两体能吸附上的最大碰撞速度为0.1m/s，碰撞力与反弹力相等，同时吸附材料粘附力要大于瞬时反弹力才能提供可靠的吸附，由于吸附材料粘附力性能的约束，碰撞力不能太大。②对两块刚体追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7进行反复碰撞试验，虽然碰撞速度很小才能吸附上，但是发现碰撞速度越大，两体吸附上之后脱附力也越大，这与材料性能有关，碰撞力就是给材料的预压力，说明给材料的预压力越大，材料的脱附力也越大。③对两块刚体追踪星模拟质量块2和目标星模拟质量块7采用自由双摆硬碰撞器进行反复碰撞试验，由于绳索的扰动干扰，很难实现迎面正交碰撞，使吸附材料进行完全贴合，这也影响了两体能吸附上的最大碰撞速度值。自由双摆硬碰撞器基础上，添加了一些设备，变成单摆平行自由碰撞器，取得了一定的效果，因此，自由双摆硬碰撞器和单摆平行自由碰撞器综合应用效果最好④柔性体对刚体进行反复碰撞试验，吸附成功的碰撞速度明显提高，最大吸附碰撞速度为0.25m/s，柔性材料对碰撞吸附起到明显的缓冲作用，使瞬时碰撞力下降，碰撞持续时间增长。⑤0.25m/s碰撞速度柔性对刚体碰撞与0.1m/s碰撞速度两刚体碰撞相比，柔性碰撞的脱附力更大，柔性碰撞在缓冲撞击力的同时，延长了撞击时间，说明吸附材料预压力持续时间越长，吸附材料蠕变贴合性越强，吸附材料作用效果越好，因此，脱附力越大。⑥一定柔性材料对碰撞吸附起到明显的缓冲作用，使最大吸附碰撞速度增加，成功吸附的碰撞速度范围更宽，由于柔性追踪星模拟质量块2只有0.3kg，带有柔性材料能够起到明显的缓冲作用，使撞击吸附效果明显，但是对于30kg以上的微小卫星必须设计专门的吸附机构，使如此大的质量惯性力得到充分的缓冲，才能保证碰撞吸附的有效性。

试验结论：①纯刚性碰撞，吸附成功所需的有效碰撞速度较小，吸附成功的碰撞速度范围较窄，由于条件苛刻，从工程角度很难达到有效吸附。②带有一定柔性程度的材料能有效提高吸附成功率，提升有效碰撞速度，吸附成功的碰撞速度范围较宽。③吸附成功所需碰撞最佳工况是迎面正交碰撞，从工程角度来说这种碰撞较难实现，带有一定柔性程度的材料能够有效缓解这个问题，使碰撞面充分结合。④成功碰撞吸附是一项关键技术，通过两体地面自由硬碰撞试验得出研制吸附机构的必要性，也初步得出吸附机构足垫使用柔性材料的有效性。

(Ⅱ)电机驱动软碰撞

试验目的：吸附机构22能够吸收撞击速度产生的动能并适应碰撞表面的形状，增加着陆吸附机构22可有效扩展碰撞速度范围，提高成功吸附的可靠性。在目标星质量模拟器19和追踪星质量模拟器25两体地面自由碰撞试验的基础上，确定合适的碰撞速度，掌握吸附机构22阻尼特性和吸能特性，演示验证着陆吸附机构22碰撞吸附性能，为飞行器控制系统深化论证提供依据。

试验项目：①吸附机构22轴内不同刚性弹簧碰撞吸附性能验证；②吸附机构22不同柔性足垫吸附性能验证；③吸附机构22最优调整适应速度范围验证；④在真空罐29中进行试验。

试验过程：试验时按照以下顺序进行①替换吸附机构22轴内弹簧，进行定速碰撞试验，做试验数据对比。②更换吸附机构22足垫，进行定速碰撞试验，做试验数据对比。③调整吸附机构22初始伸展程度到产生最优形变位置，更换适度的弹簧，对吸附机构22吸附速度范围进行探测。④电机驱动软碰撞器放进真空罐29，通过红外笼和液氮控制真空罐29温度。

具体步骤如下：

(2.1)进行完自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能后，将优选的吸附材料和足垫粘接在吸附机构前端；

(2.2)替换吸附机构内用于动能转势能的弹簧，控制追踪星质量模拟器25撞击目标星质量模拟器19，选择脱附力最大的弹簧；

(2.3)替换足垫，用于降低反弹力峰值，使得足垫的柔性缓冲反应时间与反弹力峰值瞬态时间相对应；

(2.4)在目标星表面材料面板21上添加同材料凹凸外形，控制追踪星质量模拟器25撞击目标星质量模拟器19，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板21具有凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.5)令添加了同材料凹凸外形的目标星表面材料面板21倾斜放置，控制追踪星质量模拟器25撞击目标星质量模拟器19，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板21具有倾斜放置的凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.6)将电机驱动软碰撞器中除控制平台30以外的组成部分放置在真空罐29内部进行碰撞试验。

试验分析：

①替换吸附机构22轴内弹簧

在弹性变形能够完全吸能的条件下，软硬弹簧撞击数据比较0.38m/s的撞击速度下，软足垫，更换弹簧后，撞击力比较分析。硬弹簧峰值撞击力为2.9kg，持续时间为1.39ms；软弹簧峰值撞击力为2.1kg，持续时间为5.07ms。软弹簧要比硬弹簧撞击力小，撞击力峰值持续时间长，软弹簧脱附力为3.7kg，硬弹簧脱附力为3.4kg，这说明软弹簧使吸附机构足部完全随形，足部吸附材料与表面完全贴合。另一方面，撞击及吸附力测量仪20撞击力采集图中的负力表示反向作用力，即回弹力，这种反作用力是促使两体脱附的力，反向作用力越小吸附可靠性越高，硬弹簧的反向作用力较大，不利于吸附的成功。由于软弹簧的有效性，后续试验用软弹簧开展。

②同撞击速度比较

软弹簧碰撞速度0.33m/s，撞击及吸附力测量仪20显示峰值撞击力为1.8kg，吸附成功，脱附力为2.9kg。软弹簧碰撞速度0.29m/s撞击及吸附力测量仪20显示峰值撞击力为1.6kg，吸附成功，脱附力为2.5kg。经过反复试验，确定碰撞速度在0.15m/s到0.5m/s之间，碰撞吸附能够成功。

③同足垫撞击分析

以上使用的是泡沫作为足垫柔性材料，真空试验泡沫中空气会被吸走，硬化，因此在真空中无法使用。真空罐29试验吸附机构足部使用了橡胶垫，橡胶垫在真空中不会变形，但是橡胶垫较硬，很难起到缓冲碰撞的作用。软弹簧碰撞速度0.38m/s吸附机构22硬足垫撞击及吸附力测量仪20显示与前面相同速度的软足垫相比，硬足垫碰撞力峰值为2.2kg，比软足垫要大，脱附力为3.5kg，比软足垫要小一些，说明在吸附表面的贴合度没有软足垫好。

④在真空罐29中进行试验

发现问题有吸附材料对低温环境无法满足吸附要求，吸附机构万向轴脱油，并且表明橡胶老化过快。

试验结论：①吸附机构22轴内弹簧性能决定瞬时碰撞力的大小，瞬时碰撞力决定了吸附材料吸附提供的预压力，碰撞力与反弹力相等，同时吸附材料粘附力要大于瞬时反弹力才能提供可靠的吸附。由于吸附材料提供的切向力远远大于法向力，因此，吸附机构22形变产生的切向力可以忽略。②较软的弹簧可以有效减弱碰撞力，使整个机构满足吸附材料粘附力大于瞬时反弹力，保证可靠的吸附，但是软弹簧吸能效果有限，吸附机构22容易产生较大变形。较软的弹簧使碰撞力作用时间加长，也就是吸附材料预压力施加时间长了，能够使吸附材料有较长的时间发生蠕变，增强了吸附效果。因此，吸附机构22设计需要在吸能能力、碰撞力作用时间、减弱碰撞力之间进行优化。③碰撞力具有瞬时峰值效应，因此，吸附机构22使用具有一定柔性的足垫能够拉低瞬态峰值碰撞力，但是柔性足垫在真空环境下很难实现，需要进行材料和工艺的创新研究。④在吸附机构22和吸附材料现有性能下，能够提供有效吸附的速度范围为0.15m/s到0.5m/s，根据弹簧变形度、吸附机构22吸附腿数、余量设计、吸附材料性能等因素考虑，确定最佳碰撞速度为0.38m/s。⑤通过试验得到的吸附材料有效吸附性能指标如预压力大小、作用时间等为碰撞速度和吸附机构22设计提供数据支持。

Claims (10)

1.一种碰撞吸附试验装置，其特征在于包括：自由硬碰撞器和电机驱动软碰撞器，自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能，电机驱动软碰撞器验证吸附机构碰撞过程中，将动能转化为弹性势能的性能；所述吸附机构是将碰撞动能转化为弹簧弹性势能的装置，该装置的接受碰撞前端设置有足垫与吸附材料的组合；

所述自由硬碰撞器包括追踪星质量块系留超轻质绳(1)、追踪星模拟质量块(2)、弹簧秤勾环(3)、吸附材料凸起连接件(4)、目标星质量块系留超轻质绳(6)、目标星模拟质量块(7)、目标星星表材料(8)、桁架(9)、桁架基座(10)、滑动滚珠(11)、可升降支架(12)、光滑面板(13)以及量角器刻度盘(14)；

追踪星模拟质量块(2)通过追踪星质量块系留超轻质绳(1)连接在桁架(9)上，量角器刻度盘(14)装配在桁架(9)上，用于测量追踪星质量块系留超轻质绳(1)的摆动角度；

追踪星模拟质量块(2)前端设置有吸附材料凸起连接件(4)，吸附材料凸起连接件(4)前端粘接有足垫与吸附材料的组合，追踪星模拟质量块(2)后端装配弹簧秤勾环(3)，用于通过弹簧秤测量碰撞吸附成功后吸附材料的脱附力；

目标星模拟质量块(7)通过目标星质量块系留超轻质绳(6)连接在桁架(9)上，目标星模拟质量块(7)前端粘贴有目标星星表材料(8)，桁架(9)与桁架基座(10)装配在一起，形成双摆设施的吊挂承力机构；光滑面板(13)下端与可升降支架(12)装配在一起，光滑面板(13)上放置着多个滑动滚珠(11)；

电机驱动软碰撞器包括第一滑轨(15)、测速测距传感器(16)、第二滑轨(17)、推进器(18)、目标星质量模拟器(19)、撞击及吸附力测量仪(20)、目标星表面材料面板(21)、挂接吸附机构接口(23)、反弹力测量仪(24)、追踪星质量模拟器(25)、目标星模拟器基座(31)以及追踪星模拟器基座(32)；

第一滑轨(15)焊接在目标星模拟器基座(31)上，目标星质量模拟器(19)通过滑块连接到第一滑轨(15)上，目标星表面材料面板(21)装配在目标星质量模拟器(19)上且与目标星质量模拟器(19)之间设置有撞击及吸附力测量仪(20)；

第二滑轨(17)焊接在追踪星模拟器基座(32)上，第二滑轨(17)前端装配有测速测距传感器(16)，后端装配有推进器(18)，用于推动通过滑块连接在第二滑轨(17)上的追踪星质量模拟器(25)沿第二滑轨(17)移动；

吸附机构通过挂接吸附机构接口(23)连接在追踪星质量模拟器(25)上，装在追踪星质量模拟器(25)上的反弹力测量仪(24)用于测量吸附机构的回弹惯性力；吸附机构前端依次设置有吸附材料和足垫；

电机驱动软碰撞器还包括推进器速度控制器(26)、调速器(27)、电机(28)、真空罐(29)和控制平台(30)；

推进器速度控制器(26)、调速器(27)以及电机(28)在控制平台(30)的控制下，控制推进器(18)的速度；电机驱动软碰撞器中除控制平台(30)设置在真空罐(29)外部，其余组成部分均设置在真空罐(29)内部。

2.根据权利要求1所述的一种碰撞吸附试验装置，其特征在于：吸附材料用于碰撞时吸附在目标表面，足垫用于降低碰撞时反弹力的峰值，令吸附材料产生的吸附力大于碰撞时的反弹力。

3.根据权利要求1所述的一种碰撞吸附试验装置，其特征在于：自由静止悬挂状态下，追踪星质量块系留超轻质绳(1)过量角器刻度盘(14)中心。

4.根据权利要求1所述的一种碰撞吸附试验装置，其特征在于：目标星星表材料(8)与吸附材料凸起连接件(4)前端粘接的吸附材料或足垫与吸附材料的组合相对应，发生碰撞时，碰撞类型为正交碰撞。

5.根据权利要求1所述的一种碰撞吸附试验装置，其特征在于：滑动滚珠(11)数量不小于100个，每个滑动滚珠(11)直径相同，均不大于3mm。

6.根据权利要求1所述的一种碰撞吸附试验装置，其特征在于：自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能，具体为：

(1.1)在吸附材料凸起连接件(4)前端粘接吸附材料，目标星模拟质量块(7)挂在桁架(9)上，令追踪星模拟质量块(2)和目标星模拟质量块(7)发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料(8)上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料(8)上，从而确定出吸附材料能够吸附在目标星星表材料(8)上的碰撞速度范围；

(1.2)在吸附成功的情况下，使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环(3)测量吸附材料吸附在目标星星表材料(8)上之后的脱附力，从而确定脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

(1.3)将目标星模拟质量块(7)从桁架(9)上取下，水平放置在光滑面板(13)上的多个滑动滚珠(11)上；

(1.4)使用碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤(1.2)中测量得到的碰撞速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤(1.5)；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳(1)和目标星质量块系留超轻质绳(6)，返回步骤(1.1)重新测试；

(1.5)在吸附材料凸起连接件(4)和吸附材料之间粘接足垫；目标星模拟质量块(7)挂在桁架(9)上；

(1.6)令追踪星模拟质量块(2)和目标星模拟质量块(7)发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料(8)上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料(8)上，从而确定出在装备足垫之后，吸附材料能够吸附在目标星星表材料(8)上的碰撞速度范围；

(1.7)使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环(3)测量吸附材料吸附在目标星星表材料(8)上之后的脱附力，从而确定装备足垫之后，脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

(1.8)将目标星模拟质量块(7)从桁架(9)上取下，水平放置在光滑面板(13)上的多个滑动滚珠(11)上；

(1.9)使用在装备足垫之后的碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤(1.7)中测量得到的速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤(1.10)；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳(1)和目标星质量块系留超轻质绳(6)，返回步骤(1.6)重新测试；

(1.10)根据在装备足垫之后得到的脱附力与碰撞速度之间的对应关系，选择吸附材料和足垫，使得在吸附材料能够吸附在目标星星表材料(8)上时，脱附力最大且碰撞速度范围最大。

7.根据权利要求1所述的一种碰撞吸附试验装置，其特征在于：电机驱动软碰撞器验证吸附机构碰撞过程中，将动能转化为弹性势能固化的性能，具体为：

(2.1)进行完自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能后，将选择的吸附材料和足垫粘接在吸附机构前端；

(2.2)替换吸附机构内用于动能转弹性势能的弹簧，控制追踪星质量模拟器(25)撞击目标星质量模拟器(19)，选择脱附力最大的弹簧；

(2.3)替换足垫，用于降低反弹力峰值，使得足垫的柔性缓冲反应时间与反弹力峰值瞬态时间相对应；

(2.4)在目标星表面材料面板(21)上添加同材料凹凸外形，控制追踪星质量模拟器(25)撞击目标星质量模拟器(19)，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板(21)具有凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.5)令添加了同材料凹凸外形的目标星表面材料面板(21)倾斜放置，控制追踪星质量模拟器(25)撞击目标星质量模拟器(19)，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板(21)具有倾斜放置的凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.6)将电机驱动软碰撞器中除控制平台(30)以外的组成部分放置在真空罐(29)内部进行碰撞试验。

8.一种基于权利要求1所述碰撞吸附试验装置实现的碰撞吸附试验方法，其特征在于步骤如下：

(1)通过自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能，筛选出吸附材料和足垫；

(2)基于所述步骤(1)筛选出吸附材料和足垫，通过电机驱动软碰撞器验证吸附机构碰撞过程中，将动能转化为弹性势能固化的性能。

9.根据权利要求8所述的碰撞吸附试验方法，其特征在于：所述步骤(1)通过自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能，具体为：

(1.1)在吸附材料凸起连接件(4)前端粘接吸附材料，目标星模拟质量块(7)挂在桁架(9)上，令追踪星模拟质量块(2)和目标星模拟质量块(7)发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料(8)上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料(8)上，从而确定出吸附材料能够粘接在目标星星表材料(8)上的碰撞速度范围；

(1.2)在吸附成功的情况下，使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环(3)测量吸附材料吸附在目标星星表材料(8)上之后的脱附力，从而确定脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

(1.3)将目标星模拟质量块(7)从桁架(9)上取下，水平放置在光滑面板(13)上的多个滑动滚珠(11)上；

(1.4)使用碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤(1.2)中测量得到的碰撞速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤(1.5)；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳(1)和目标星质量块系留超轻质绳(6)，返回步骤(1.1)重新测试；

(1.5)在吸附材料凸起连接件(4)和吸附材料之间粘接足垫；目标星模拟质量块(7)挂在桁架(9)上；

(1.6)令追踪星模拟质量块(2)和目标星模拟质量块(7)发生正交碰撞，令所述吸附材料发生碰撞后吸附在目标星星表材料(8)上，如果未吸附上，则调整碰撞速度，直到吸附材料发生碰撞后能够吸附在目标星星表材料(8)上，从而确定出在装备足垫之后，吸附材料能够吸附在目标星星表材料(8)上的碰撞速度范围；

(1.7)使用弹簧秤，通过弹簧秤勾环(3)测量吸附材料吸附在目标星星表材料(8)上之后的脱附力，从而确定装备足垫之后，脱附力与碰撞速度之间的对应关系；

(1.8)将目标星模拟质量块(7)从桁架(9)上取下，水平放置在光滑面板(13)上的多个滑动滚珠(11)上；

(1.9)使用在装备足垫之后的碰撞速度范围的边界值再次进行正交碰撞，并测量脱附力，如果此时测量得到的脱附力与步骤(1.7)中测量得到的速度边界值对应的脱附力之间的偏差在预设范围内，则进入步骤(1.10)；否则调整追踪星质量块系留超轻质绳(1)和目标星质量块系留超轻质绳(6)，返回步骤(1.6)重新测试；

(1.10)根据在装备足垫之后得到的脱附力与碰撞速度之间的对应关系，选择吸附材料和足垫，使得在吸附材料能够吸附在目标星星表材料(8)上时，脱附力最大且碰撞速度范围最大。

10.根据权利要求8所述的碰撞吸附试验方法，其特征在于：所述步骤(2)通过电机驱动软碰撞器验证吸附机构碰撞过程中，将动能转化为弹性势能固化的性能，具体为：

(2.1)进行完自由硬碰撞器验证吸附材料和足垫的性能后，将选择的吸附材料和足垫粘接在吸附机构前端；

(2.2)替换吸附机构内用于动能转弹性势能的弹簧，控制追踪星质量模拟器(25)撞击目标星质量模拟器(19)，选择脱附力最大的弹簧；

(2.3)替换足垫，用于降低反弹力峰值，使得足垫的柔性缓冲反应时间与反弹力峰值瞬态时间相对应；

(2.4)在目标星表面材料面板(21)上添加同材料凹凸外形，控制追踪星质量模拟器(25)撞击目标星质量模拟器(19)，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板(21)具有凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.5)令添加了同材料凹凸外形的目标星表面材料面板(21)倾斜放置，控制追踪星质量模拟器(25)撞击目标星质量模拟器(19)，令吸附材料发生碰撞后吸附在凹凸外形上，如果未吸附上，则替换弹簧，在目标星表面材料面板(21)具有倾斜放置的凹凸外形的情况下选择脱附力最大的弹簧；如果能够吸附，则测量脱附力，从而验证吸附机构的随形能力；

(2.6)将电机驱动软碰撞器中除控制平台(30)以外的组成部分放置在真空罐(29)内部进行碰撞试验。

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