CN113348753B - 一种深空探测器分离试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过定力矩随动控制消除重力作用的深空探测器分离试验装置和试验方法。该试验装置由塔架、低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B、吊具、高拉伸刚度钢丝绳、测力传感器、定力矩随动控制系统和保护绳组成。所述的低摩擦滑轮A设置在塔架上，低摩擦滑轮B通过支架固定在地面上；所述的高拉伸刚度钢丝绳一端连接测力传感器与吊具，并依次绕过低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B，另一端连接定力矩随动控制系统；所述的定力矩随动控制系统是以高精度快速响应的力矩电机为核心的闭环控制系统；所述的保护绳连接在分离体上。采用本试验装置实现了钢丝绳上的瞬时拉力与额定拉力偏差较小，即满足了消除重力的要求。

Description

一种深空探测器分离试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及深空探测航天器的试验技术领域，具体涉及一种通过定力矩随动控制消除重力作用的分离试验装置和分离试验方法。

背景技术

为了完成复杂的深空探测任务，航天器需要由多个舱段或飞行器组成，当一个组成体需要完成特定任务或者其任务完成需要抛弃时，就需要进行分离。

航天器分离系统设计时可以通过建立数学模型的方法，开展运动学和动力学的理论计算和仿真分析。由于理论计算和仿真分析的数学模型建立复杂，计算边界条件多且难以准确给出，因此仍然需要通过地面的分离试验，验证接口和分离参数设计的合理正确。

现有的航天器分离试验方案主要有自由落体空中分离法、一分离体固定一分离体自由落体法、摆式分离试验法(以上三种方法详见GJB2205A-2011)和吊挂配重法。以上方法的核心目的都在于消除地球引力对分离体的影响，尽可能真实的模拟试验边界。其中空中分离和自由落体法都需要防止舱体在下落过程受到较大冲击而损坏，危险性较大，目前航天器制造价格昂贵，已经较少使用；摆式分离法需要飞行器具备水平吊装的能力，而某些航天器由于构型设计等原因不具备该能力；吊挂配重法由于配重也受到重力加速度和惯性力的影响，并不能真正的消除重力，无法获取准确的分离速度。

本发明提出了一种通过定力矩随动控制消除重力作用分离试验装置和试验方法，可以满足航天器垂直状态下的分离试验要求，并相对于吊挂配重法可以更加准确的消除重力的影响。

发明内容

为了解决部分航天器不能进行水平状态分离试验问题并克服吊挂配重法不能较好消除重力影响的缺点，本发明提出了通过定力矩随动控制消除重力作用分离试验装置和试验方法，可以使分离体在垂直向上运动过程中受到的拉力与分离体重力偏差较小，以满足真实分离时失重的边界条件。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决技术方案为：一种通过定力矩随动控制消除重力作用分离试验装置，包括塔架、低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B、吊具、高拉伸刚度钢丝绳、测力传感器、定力矩随动控制系统和保护绳；

所述的低摩擦滑轮A设置在塔架上，低摩擦滑轮B通过支架固定在地面上；所述的高拉伸刚度钢丝绳一端连接测力传感器与吊具，并依次绕过低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B，另一端连接定力矩随动控制系统；所述的定力矩随动控制系统是以高精度快速响应的力矩电机为核心的控制闭环控制系统；所述的保护绳连接在分离体上，用于防止分离体分离后由于意外与塔架碰撞或者回落。

本发明的另一技术方案在于：提出一种采用安全分离试验装置进行分离试验方法，包括以下步骤：

1)测量分离体A、分离体B的质量和质心，测量吊具的质量；

2)搭建塔架，在塔架上安装低摩擦滑轮A，在地面上通过支架安装低摩擦滑轮B，使低摩擦滑轮A和低摩擦滑轮B在一条直线上；

3)将吊具、测力传感器、高拉伸刚度钢丝绳依次串行安装，并使其通过低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B；

4)将高拉伸刚度钢丝绳与定力矩随动控制系统连接但不施加载荷：

5)将分离体A放置于塔架低摩擦滑轮A正下方，并将吊具与分离体A上的吊点连接，通过调节吊具上的可调节装置，使吊具中心通过分离体A的质心纵轴线，且受力均匀；

6)在分离体A和塔架之间安装保护绳；

7)根据分离体A和吊具的质量计算其重力和，并进一步计算出定力矩随动控制系统的额定控制力矩M，并通过测力传感器的测量结果确定实际输出控制力矩是否与额定控制力矩M相等，并通过控制程序和算法使定力矩随动控制系统实时输出力矩等于额定控制力矩M；

8)通过分离控制系统控制分离体A与分离体B分离，分离体A解锁释放后向上运动，钢丝绳上的拉力瞬时下降，通过测力传感器测得钢丝绳上瞬时的拉力，并将该值反馈给定力矩随动控制系统，定力矩随动控制系统根据拉力值的大小对控制力矩进行补偿，确保力矩电机输出的力矩大小与额定力矩M偏差较小，即实现了钢丝绳上的瞬时拉力与额定拉力偏差较小，即满足了消除重力的要求。

本发明的技术效果体现在：本发明通过定力矩随动控制系统7中的力矩电机可以输出恒定力矩的原理，一旦当测力传感器6测量的拉力结果与额定拉力结果有偏差时，力矩电机实时补偿钢丝绳5上的拉力，从而达到消除重力影响的目的，提高了分离速度测量结果的准确度。

附图说明

图1为本发明的深空探测器分离试验装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步详细的说明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

如图1所示，本发明一种通过定力矩随动控制消除重力作用分离试验装置，由塔架1、低摩擦滑轮A2、低摩擦滑轮B3、吊具4、高拉伸刚度钢丝绳5、测力传感器6、定力矩随动控制系统7和保护绳8组成。所述的塔架1可以是但不局限于快速拆卸式桁架结构，通过地脚螺栓或者千斤顶式止动器与地面连接；所述的低摩擦滑轮A2设置在塔架1上，低摩擦滑轮B3通过支架固定在地面上，滑轮的滚动摩擦系数应不大于0.003，滑轮的承载能力应不小于3倍分离体12的重量；所述的高拉伸刚度钢丝绳5一端连接测力传感器6与吊具4，并依次绕过低摩擦滑轮A2、低摩擦滑轮B3，另一端连接定力矩随动控制系统7，钢丝绳的拉伸刚度一般不应低于1×10⁶N/m，具体根据分离体的质量和钢丝绳长合理选取；所述的定力矩随动控制系统7是以高精度快速响应的力矩电机为核心的控制闭环控制系统，力矩控制精度偏差应不大于1％，跟随响应速度应不大于5ms；所述的保护绳8连接在分离体A9上，保护绳为轻质非金属材料，重量应不大于200g/m，用于防止分离体A9分离后由于意外与塔架1碰撞或者回落。

分离试验装置搭建完成后，通过分离控制系统控制分离体A9与分离体B10分离，分离体A9解锁释放后向上运动，钢丝绳5会突然松弛，拉力瞬时下降，通过测力传感器6测得钢丝绳上瞬时的拉力，并将该值反馈给定力矩随动控制系统7，定力矩随动控制系统7根据拉力值的大小对控制力矩进行补偿(通过力矩电机转动将钢丝绳5收紧，使松弛的钢丝绳5重新张紧，建立拉力与分离体A9和吊具4的重力平衡关系)，从而使力矩电机输出的力矩大小与额定力矩M偏差较小，即实现了钢丝绳上的瞬时拉力与额定拉力偏差较小，即满足了消除重力的要求。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指名的是，我们可以根据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种深空探测器分离试验装置，其特征在于，包括塔架、低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B、吊具、高拉伸刚度钢丝绳、测力传感器、定力矩随动控制系统和保护绳；

所述的低摩擦滑轮A设置在塔架上，低摩擦滑轮B通过支架固定在地面上；所述的高拉伸刚度钢丝绳一端连接测力传感器与吊具，并依次绕过低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B，另一端连接定力矩随动控制系统；所述的定力矩随动控制系统是以高精度快速响应的力矩电机为核心的闭环控制系统；所述的保护绳连接在分离体上，用于防止分离体分离后由于意外与塔架碰撞或者回落。

2.根据权利要求1所述的深空探测器分离试验装置，其特征在于，所述塔架采用可拆卸式桁架结构，通过地脚螺栓或者千斤顶式止动器与地面连接。

3.根据权利要求1所述的深空探测器分离试验装置，其特征在于，所述钢丝绳的拉伸刚度可根据分离体的质量和钢丝绳长合理选取；钢丝绳的拉伸刚度≥1×10⁶N/m。

4.根据权利要求1所述的深空探测器分离试验装置，其特征在于，所述保护绳为轻质非金属材料，重量应≤200g/m。

5.一种权利要求1～4中任一一项深空探测器分离试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量分离体A、分离体B的质量和质心，测量吊具的质量；

2)搭建塔架，在塔架上安装低摩擦滑轮A，在地面上通过支架安装低摩擦滑轮B，使低摩擦滑轮A和低摩擦滑轮B在一条直线上；

3)将吊具、测力传感器、高拉伸刚度钢丝绳依次串行安装，并使其通过低摩擦滑轮A、低摩擦滑轮B；

4)将高拉伸刚度钢丝绳与定力矩随动控制系统连接但不施加载荷；

5)将分离体A放置于塔架低摩擦滑轮A正下方，并将吊具与分离体A上的吊点连接，通过调节吊具上的可调节装置，使吊具中心通过分离体A的质心纵轴线，且受力均匀；

6)在分离体A和塔架之间安装保护绳；

7)根据分离体A和吊具的质量计算其重力和，并进一步计算出定力矩随动控制系统的额定控制力矩M，并通过测力传感器的测量结果确定实际输出控制力矩是否与额定控制力矩M相等，并通过控制程序和算法使定力矩随动控制系统实时输出力矩等于额定控制力矩M；

8)通过分离控制系统控制分离体A与分离体B分离，分离体A解锁释放后向上运动，钢丝绳上的拉力瞬时下降，通过测力传感器测得钢丝绳上瞬时的拉力，并将该值反馈给定力矩随动控制系统，定力矩随动控制系统根据拉力值的大小对控制力矩进行补偿，确保力矩电机输出的力矩大小与额定力矩M偏差较小，即实现了钢丝绳上的瞬时拉力与额定拉力偏差较小，即满足了消除重力的要求。

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