CN112197862B - 薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄膜航天器表面太阳光压力测试系统及测试方法，属于航天空间环境力测量技术领域。所述测试系统包括水平工作台、超微量高精度天平、薄膜航天器试验件、太阳模拟器、镜面投射装置和真空试验舱，所述太阳模拟器能够发出水平方向的模拟太阳光，并经呈45度方向布置的镜面投射装置投射后垂直地照晒在薄膜航天器试验件上。通过读取超微量高精度天平上由于光压力的施加所带来的结构质量变化值，可通过转换公式计算获得薄膜表面受到的太阳光压力大小。本发明所述测试系统构成相对简单，相应的测试方法也相对简便，具有易于操作的优点。
Description
技术领域
本发明属于航天空间环境力测量技术领域，具体涉及一种薄膜航天器表面产生的太阳光压力的地面测试系统及其测试方法。
背景技术
薄膜航天器是一种利用太阳光压力进行推进的新型航天器，也称为太阳帆航天器、太阳帆飞船，或简称太阳帆。薄膜航天器通常采用轻质的聚酰亚胺薄膜材料，具有超大的面质比，利用超大面积薄膜所受到的太阳光压力作为飞行的动力，从本质上摆脱了传统航天器对化学推进燃料的依赖，属于一种典型的无工质推进方式，因此在超远距离的星际航行、深空探索等不具有较强时效性要求的空间任务中具有极大的应用价值。
然而，太阳光压力为一种极为微小的空间环境力，以面积达100平方米的薄膜航天器为例，在距离日心1AU的位置处(AU为天文单位，1AU是指地球到太阳之间的平均距离，约1.496亿千米)，且处于理想的完全反射条件下，其薄膜表面产生的光压力的理论计算值仅约为0.9126mN(毫牛)。由于太阳光压所形成的推力是薄膜航天器设计中的一个最为重要的核心技术指标，准确获取薄膜帆面能够产生的实际太阳光压力大小对于薄膜航天器任务是否能够成功实现至为关键。
但是，如何在地面环境条件下对薄膜航天器表面能够获取的光压力大小进行科学测量与验证是一个十分棘手的技术难题。这主要体现在该太阳光压力的数值极其微小，常规的测力计或现有的力传感器，例如高精度小压力传感器、膜片压力表、微型压力仪以及半导体扩散硅压力传感器等，均难以实现对其大小的测量。此外，目前文献资料中也很少有关于太阳帆薄膜表面太阳光压力测量的研究报道。专利文献CN 111157149A(申请号：202010004204.8，申请日：2020.01.03)提出了一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置及方法，装置包括底座、二维纳米微动台、多普勒激光干涉仪、噪声温度计、调制激光器、频谱分析仪和PTC陶瓷加热器等构成，其利用微悬臂梁探针来感受光压力，通过调制激光器产生光压力并激发微悬臂梁探针共振进而放大光压力学效应，并采用多普勒激光干涉仪精密测量微悬臂梁探针的振动幅值，利用噪声温度计和频谱分析仪对微悬臂梁探针的弹性系数进行标定，将力值测量传递到位移和温度测量上，从而实现pN(皮牛)量级超微小力值的测量。但是，该光压力值测量装置采用微悬臂梁探针这种梁式结构来感受光压本身的强度，难以将其直接应用于薄膜结构这类面状结构的表面光压力大小的测量。这是因为该技术问题是要在地面实验室条件下测量并验证薄膜表面所受到的太阳光压力大小，而并非单纯获取太阳光压自身的辐照强度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统及测试方法，旨在解决薄膜表面太阳光压力过于微小以致难以在地面条件下进行有效测量和验证的技术难题。
为实现上述目的，本发明提出一种薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统，包括水平工作台1、超微量高精度天平2、薄膜航天器试验件3、太阳模拟器4、镜面投射装置5和真空试验舱6；
所述水平工作台1放置在真空试验舱6内，具有水平调节装置，用于保证水平工作台1处于水平状态；
所述超微量高精度天平2水平地放置在所述水平工作台1上，其上设有一个用于连接薄膜航天器试验件3的安装臂21；
所述薄膜航天器试验件3通过所述安装臂21连接在所述超微量高精度天平2上，其反射太阳光的薄膜表面也处于水平状态；
所述太阳模拟器4用于发出沿水平方向的模拟太阳光，并照射在所述镜面投射装置5上；
所述镜面投射装置5设有一个与水平方向呈45度夹角布置的镜面，用于将水平方向入射的模拟太阳光以垂直的方式投射在所述薄膜航天器试验件3上；
所述真空试验舱(6)用于模拟太空真空环境，为光压力地面测试提供真空条件。
优选的，所述超微量高精度天平2的测量精度优于0.0001mg。
优选的，所述太阳模拟器4的辐射通量不小于500W·m-2。
优选的，所述真空试验舱6可实现的真空度级别优于5×10-5Pa。
本发明还提出了一种应用所述的薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统的测试方法，包括以下步骤：
S1，调水平：将水平工作台1、超微量高精度天平2和薄膜航天器试验件3依次调整为水平状态，保证被测的薄膜航天器试验件3的薄膜表面处于水平状态；
S2，抽真空：关闭真空试验舱6的舱门，对真空试验舱6进行抽真空，直至其内部的真空度达到5×10-5Pa；
S3，获取质量变化量：打开太阳模拟器4，使模拟太阳光通过镜面投射装置5投射后垂直照晒在薄膜航天器试验件3上，此时读取超微量高精度天平2的质量变化，并记为Δm；
S4，求解太阳光的光压力：利用公式Fn＝Δm·g计算薄膜表面受到的太阳光压力大小，式中Fn表示薄膜航天器试验件3表面的太阳光压力，Δm为超微量高精度天平2上的质量变化值，g表示地球表面重力加速度。
优选的，所述薄膜航天器试验件3的薄膜反射面形状为边长等于1.5m的正方形，面积为2.25m2。
优选的，所述太阳模拟器4的辐射通量为1200W·m-2。
优选的，当试验场地位于北纬30°、海拔12公里的位置，所述地球表面重力加速度g的取值为9.756m/s2。
与现有的常规技术相比，利用本发明所提出的技术方案，能够取得的有益技术效果主要体现在以下两个方面：
其一，本发明将微小的太空环境力的测量问题转化为由光压带来的结构质量改变量的测量问题，通过读取超微量高精度天平上由于光压力的施加所带来的结构质量变化值来计算得到薄膜表面的太阳光压力大小，为光压辐射压力这种空间环境力的地面测量提供了一种基本可行的测量系统及方法；利用该测试系统及测试方法，能够基本实现在地面测试环境下对薄膜表面太阳光压力的测量。
其二，本发明所述测试系统的构成相对简单，所提出的测试方法也相对简便，具有易于操作的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为太阳光压力计算模型示意图；
图2为本发明所述薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统的组成示意图；
图3为本发明所述薄膜航天器表面太阳光压力地面测试方法的流程图。
本发明的附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 1 | 水平工作台 | 4 | 太阳模拟器 |
| 2 | 超微量高精度天平 | 5 | 镜面投射装置 |
| 3 | 薄膜航天器试验件 | 6 | 真空试验舱 |
| 21 | 安装臂 |
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当太阳光照射到薄膜航天器的薄膜受晒表面时，会产生镜面反射、漫反射和光子吸收等物理现象，如图1所示。图1中，n和τ分别表示受晒表面的法线和切线方向，AE与EB分别为入射光线和反射光线，θ表示入射光线与受晒表面法线方向的夹角，即入射角。
记η为薄膜受晒表面的正面反射率，γ为镜面反射系数。根据太阳光压计算模型(参见文献Solar Sail Attitude Control and Dynamics,Part 1，作者：WIE B.，期刊：Journal of Guidance Control&Dynamics，年份：2004，卷期：27(4)，页码：536-544)，可以得到薄膜受晒表面在法线方向受到的太阳光压力Fn为
Fn＝PA(1+ηγ)cos2θ， (1)
式中，P表示太阳光的辐射压强值，A表示受晒表面的有效面积，Fn表示太阳光压力。
假设薄膜航天器的薄膜反射面选用高反射率、高镜面反射系数的表面材料，能够有效降低光压推进中的漫反射和光子吸收，从而增大动量交换效率，提升光压推进效能，此时可以认为η,γ≈1。进一步考虑太阳光垂直入射的情形，即入射角θ＝0，此时太阳光压力Fn可以简化表示为
Fn≈2PA， (2)
由式(2)可以计算得到，当薄膜表面的有效受晒面积A为1m2，太阳光辐射压强P取距离日心1AU处的太阳辐射压强值，即P＝4.563×10-6N·m-2，此时薄膜表面理论上能够产生的最大太阳光压力仅为9.126μN(微牛)。
通过以上分析不难看出，太阳光压力是一个非常微小的数值。因此，针对太阳光压力过于微小难以采用常规力传感器进行有效地面测量与试验验证的技术难题，本发明提出了一种薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统。
如图2所示，本发明所述薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统包括水平工作台1、超微量高精度天平2、薄膜航天器试验件3、太阳模拟器4、镜面投射装置5和真空试验舱6；
所述水平工作台1放置在真空试验舱6内，具有水平调节装置，通过调节该装置，可以保证水平工作台1处于水平状态；
所述超微量高精度天平2水平地放置在所述水平工作台1上，其上设有一个用于连接被测物体(即薄膜航天器试验件3)的安装臂21，为了保证能够实现对微小光压力的测量，超微量高精度天平2的测量精度应优于0.001mg，即分辨率可达百万分之一以上；
所述薄膜航天器试验件3通过所述安装臂21连接在所述超微量高精度天平2上，其反射太阳光的薄膜表面也处于水平状态；
所述太阳模拟器4能够沿水平方向发出模拟太阳光，并照射在所述镜面投射装置5上，为较好地实现对真实太阳光的模拟，太阳模拟器4的辐射通量(即太阳辐射能量的流量密度)应可达500W·m-2以上；
所述镜面投射装置5设有一个与水平方向呈45度夹角布置的镜面，能够将水平方向入射的模拟太阳光以垂直的方式投射在所述薄膜航天器试验件3上；
所述真空试验舱6能够模拟太空真空环境，为光压力地面测试提供真空条件，考虑到薄膜航天器的飞行轨道高度通常大于800公里(如果轨道高度小于800公里，此时大气阻力的影响将大于光压力，那么薄膜航天器将无用武之地)，在此轨道高度以上，外太空的真空度将小于5×10-5Pa，因此要求真空试验舱6可实现的真空度级别优于5×10-5Pa。
本实施例中，水平工作台1选用北京派迪威仪器有限公司生产的自水平精密隔震光学平台，型号PT02，规格为3000×1200×250mm；太阳模拟器4选用努美(北京)科技有限公司生产的高准直菲涅尔太阳模拟器，型号为SS3.0KXeFR，可对目标点进行高度准直的照明；超微量高精度天平2选用生产美国舒勒科技公司(Schuler Scientific)的超微量天平，型号为SUMB-2，分辨精度为0.1μg(即0.0001mg)；真空试验舱6选用兰州真空设备有限责任公司定制生产的空间环境模拟专用试验舱，口径6米，可实现的真空度级别为10-6Pa；镜面投射装置5为自行研制设备，其主要由地面安装支架和45度镜面两部分组成；薄膜航天器试验件3为自行加工研制的被测试验对象，其薄膜反射面形状为正方形，边长1.5m，面积为2.25m2。
基于本发明所述的薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统，本发明还提出了一种相应的测试方法，其详细步骤包括如图3所示的四个步骤流程，具体如下：
S1，调水平：将水平工作台1、超微量高精度天平2和薄膜航天器试验件3依次调整为水平状态，保证被测的薄膜航天器试验件3的薄膜表面处于水平状态；
S2，抽真空：关闭真空试验舱6的舱门，对真空试验舱6进行抽真空，直至其内部的真空度达到5×10-5Pa；
S3，获取质量变化量：打开太阳模拟器4，使模拟太阳光通过镜面投射装置5投射后垂直照晒在薄膜航天器试验件3上，此时读取超微量高精度天平2的质量变化，并记为Δm；
S4，求解太阳光的光压力：由于被测的薄膜航天器试验件3的质量增加，是其表面施加了太阳光压力的影响，因此，太阳光压力的大小可以表示为
Fn＝Δm·g， (3)
式中，Fn表示薄膜航天器试验件表面的太阳光压力，Δm为超微量高精度天平上的质量变化值，g表示地球表面重力加速度，其大小与地球纬度以及海拔等因素均有关，本实施例中，考虑在北纬30°、海拔12公里的位置开展测试试验，则g可取值为9.756m/s2。
通过以述公式(3)即可获得薄膜表面太阳光压力的大小。
本实施例中，采用1200W·m-2的光辐射通量对薄膜航天器试验件3的薄膜表面进行照晒，读取到超微量高精度天平2上的质量变化值Δm约为0.0016mg，利用公式(3)可以计算得到太阳光压力的大小为：0.0016×10-3×9.756＝15.6096×10-6N。
下面再将以上测量值与太阳光压力的理论计算值进行比较，考察其测量准确度及其误差。考虑到太阳辐射压强值等于辐射能量的流量密度除以光速(3×108m/s)，1200W·m-2的光辐射通量对应的太阳辐射压强值P为4×10-6Pa，结合正方形薄膜航天器试验件3的面积A为2.25m2，由此可知太阳光压力的理论计算值为2×P×A＝18×10-6N。由此可以进一步计算得到测量值与理论计算值的偏差为13.28％。分析导致该偏差的原因，这主要是由于薄膜航天器试验件3的薄膜表面存在褶皱以致牺牲部分有效受晒面积，以及薄膜表面也并非完全的理想反射造成的。
本发明通过将微小的太空环境力的测量问题转化为由光压带来的结构质量改变量的测量问题，为光压辐射压力这种空间环境力的地面测量提供了一种基本可行的测量系统及方法。利用该测试系统及测试方法，能够基本实现在地面测试环境下对薄膜表面太阳光压力的测量。此外，该测试系统的构成相对简单，测试方法也相对简便，易于操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统，其特征在于，包括水平工作台（1）、超微量高精度天平（2）、薄膜航天器试验件（3）、太阳模拟器（4）、镜面投射装置（5）和真空试验舱（6）；
所述水平工作台（1）放置在真空试验舱（6）内，具有水平调节装置，用于保证水平工作台（1）处于水平状态；
所述超微量高精度天平（2）水平地放置在所述水平工作台（1）上，其上设有一个用于连接薄膜航天器试验件（3）的安装臂（21），所述超微量高精度天平（2）的测量精度优于0.0001mg；
所述薄膜航天器试验件（3）通过所述安装臂（21）连接在所述超微量高精度天平（2）上，其反射太阳光的薄膜表面也处于水平状态；
所述太阳模拟器（4）用于发出沿水平方向的模拟太阳光，并照射在所述镜面投射装置（5）上，所述太阳模拟器（4）的辐射通量不小于500W·m-2；
所述镜面投射装置（5）设有一个与水平方向呈45度夹角布置的镜面，用于将水平方向入射的模拟太阳光以垂直的方式投射在所述薄膜航天器试验件（3）上；
所述真空试验舱（6）用于模拟太空真空环境，为光压力地面测试提供真空条件，所述真空试验舱（6）可实现的真空度级别优于5×10-5Pa；
所述太阳模拟器（4）和镜面投射装置（5）均放置在真空试验舱（6）内。
2.一种应用如权利要求1所述的薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统的测试方法，包括以下步骤：
S1，调水平：将水平工作台（1）、超微量高精度天平（2）和薄膜航天器试验件（3）依次调整为水平状态，保证被测的薄膜航天器试验件（3）的薄膜表面处于水平状态；
S2，抽真空：关闭真空试验舱（6）的舱门，对真空试验舱（6）进行抽真空，直至其内部的真空度达到5×10-5Pa；
S3，获取质量变化量：打开太阳模拟器（4），使模拟太阳光通过镜面投射装置（5）投射后垂直照晒在薄膜航天器试验件（3）上，此时读取超微量高精度天平（2）的质量变化，并记为Δm；
S4，求解太阳光的光压力：利用公式F n =Δm⋅g计算薄膜表面受到的太阳光压力大小，式中F n 表示薄膜航天器试验件（3）表面的太阳光压力，Δm为超微量高精度天平（2）上的质量变化值，g表示地球表面重力加速度。
3.如权利要求2所述的一种薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统的测试方法，其特征在于，所述薄膜航天器试验件（3）的薄膜反射面形状为边长等于1.5m的正方形，面积为2.25m2。
4.如权利要求2所述的一种薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统的测试方法，其特征在于，所述太阳模拟器（4）的辐射通量为1200W·m-2。
5.如权利要求2所述的一种薄膜航天器表面太阳光压力地面测试系统的测试方法，其特征在于，当试验场地位于北纬30°、海拔12公里的位置，所述地球表面重力加速度g的取值为9.756m/s2。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A novel experimental;Aiming Shi, Li Jiang, Earl H. Dowell, Zhixuan Qin;《Proc. of SPIE》;20170228;第10256卷;1025649-1至1025649-10 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112197862A (zh) | 2021-01-08 |
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