CN114353604A - 一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台，它包括载荷平台、控制平台、槽型组装件、动力套件、脚架；所述控制平台与所述载荷平台通过若干根等长的支撑柱连接，形成一个整体结构；所述动力套件能适合地嵌套进所述槽型组装件，再通过两个分别用螺栓固定在所述载荷平台和所述控制平台上的槽型组装件，连接在所述载荷平台和所述控制平台的边界处；所述脚架通过螺栓连接在控制平台的底面；动力套件共有四组，相互之间呈圆周均匀分布；本发明所述的实验平台能提供与可回收火箭相似的冗余矢量推力形式，能通过改变载荷模拟不同实验环境，达到全天候模拟可回收火箭垂直着陆过程的效果，结构科学，工艺性好，安全便捷，适用于在室内快速验证可回收火箭制导控制方法，具有广阔推广应用价值。

Description

一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台

技术领域

本发明设计一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台，它是一种推力装置可绕球关节旋转以产生矢量推力，并且同时配置多个矢量推力装置，因此具备冗余驱动特性的可回收火箭制导控制算法实验平台，本身具备可回收火箭运动和结构特性的同时，能够根据设计载荷的不同，模拟可回收火箭可能受到的多种不同形式干扰，由于使用航模电机和数字舵机等轻量化、小功率模块作为动力元件，能够在室内快速、便捷、安全地安装和使用，无需消耗价格较高的固体或液体燃料，重复使用无需更换任何部件，能以较低成本模拟具有多发动机喷管的一级可回收火箭运载器，属于航空航天；飞行器设计；制导控制实验技术领域。

背景技术

火箭回收技术是航天领域新兴技术，研究并实现该技术方法具有极高的科技和经济价值。为模仿一级火箭下落及姿态控制的过程，需要设计一套合理的物理样机，以正确模拟实际发射中一级火箭的动力学和运动学特性，在此基础上实现制导控制算法的设计和验证工作。与控制方法研究相关的实验内容可能存在潜在的破坏性，例如制导轨迹跟踪失败、控制方法中途失效或实验设备中途宕机等，都会导致不可预见的严重后果。但当前的实验平台大多成本高昂，不适合进行反复多次的可能具有损坏性的实验，同时由于体积庞大，也无法用于室内实验设计，因此需要重新搭建一套适合在室内安全使用的低成本的物理样机作为实验平台，承接实验任务。

在保证以上前提的条件下，可回收火箭的实验平台设计过程中，有以下三点需要特别注意：首先，为保证动力系统的可靠性和任务的成功率，火箭往往会制备多台发动机。这样可以防止在其中一台出现故障时，系统无法完成拟定的飞行任务，导致发射任务失败的情况发生。其次，为实现火箭箭体的姿态控制，需要每个动力装置可以执行一定幅度的偏摆动作，产生大小、方向均可变化的矢量推力。最后，为充分验证制导控制算法的品质，需要样机平台可以模拟多种干扰下的飞行条件。

综上所述，本发明旨在设计一种具有过驱动特性的，具备多个矢量推力装置的，用于室内算法验证的，可回收火箭制导控制多模态实验平台，以较低的成本模拟具有多矢量喷管的一级火箭回收系统，具有一定的独创性。

发明内容

(1)目的

本发明的目的是为了搭建可在室内验证可回收火箭制导控制算法的物理样机，设计一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台，即一种具备多个矢量推力装置的，具有冗余驱动特性的，能够以低成本在室内条件下实现火箭回收技术所需火箭主体的，可根据载荷调整干扰实验内容的，物理样机的设计建造，以此作为设计可回收火箭制导控制系统的实物验证平台。

(2)技术方案

本发明一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台，其特征在于，所述实验平台包括载荷平台、控制平台、槽型组装件、动力套件、脚架；它们相互之间的关系是：所述控制平台与所述载荷平台通过若干根等长的支撑柱(6)连接，形成一个整体结构；所述动力套件能适合地嵌套进所述槽型组装件，再通过两个分别用螺栓固定在所述载荷平台和所述控制平台上的槽型组装件，连接在所述载荷平台和所述控制平台的边界处；所述脚架通过螺栓连接在控制平台的底面；动力套件共有四组，相互之间呈圆周均匀分布；

所述的载荷平台包括载荷碳纤维底板(5)、支撑柱(6)、载荷连接件Ⅰ(36)、载荷连接件Ⅱ(37)、载荷连接件Ⅲ(38)、载荷连接件Ⅳ(39)和实验载荷(7)；它们相互之间的关系是：该支撑住(6)通过螺栓连接在载荷碳纤维底板(5)底面，用于所述控制平台与载荷平台的连接；该实验载荷(7)通过载荷连接件Ⅰ(36)、Ⅱ(37)、Ⅲ(38)、Ⅳ(39)固定在载荷碳纤维底板(5)上，如使用螺栓连接或胶粘结，结果是实验载荷(7)与载荷碳纤维底板(5)不发生相对运动；

该载荷碳纤维底板(5)的形状构造是：切割成圆形的型材板件，如3mm厚的碳纤维板，并镂空有复数个整齐密布的六边形通孔；

该支撑住(6)的形状构造是：两端有螺纹孔的六角铜柱，共设置有四根；

该载荷连接件Ⅰ(36)、Ⅱ(37)、Ⅲ(38)、Ⅳ(39)的结构相同，形状构造根据所固定的实验载荷(7)确定，以实验载荷(7)使用水桶为例，其形状构造是：主体呈L型的异型3D打印件，底面和侧面之间夹有筋条，用于斜拉支撑；

该实验载荷(7)的形状构造是：不限于使用水桶，柔性体，挡板和倒立摆作为主要构成部分的实验所需部件，以模拟实际任务中所具有的环境特性和箭体具有的动力学特性；

所述的控制平台包括控制碳纤维底板(8)、主控底座Ⅰ(9)、主控底座Ⅱ(10)、柔性缓冲管(11)和主控板(12)；它们相互之间的关系是：该主控板(12)粘接在主控底座Ⅱ(10)上；该主控底座Ⅰ(9)粘接于控制碳纤维底板(8)正面中心处；该柔性缓冲管(11)的两端分别穿过主控底座Ⅰ(9)和主控底座Ⅱ(10)的圆形通孔，使主控板(12)和控制碳纤维底板(8)之间形成柔性缓冲连接；

该控制碳纤维底板(8)的形状构造是：切割成圆形的型材板件，如3mm厚的碳纤维板，并镂空有复数个整齐密布的六边形通孔；

该主控底座Ⅰ(9)和主控底座Ⅱ(10)的结构相同，其形状构造是：长方形四个顶点处镂空有圆环的轻质板材，方便柔性缓冲管(11)卡嵌入其中；

该柔性缓冲管(11)的形状构造是：两端带有1mm左右内陷卡槽结构的软质橡胶管，设置有四个；

该主控板(12)选用现有产品；

所述的槽型组装件包括嵌槽块(13)和压板(14)；它们相互之间的关系是：该压板(14)覆盖于嵌槽块(13)的槽口上，之间通过螺栓连接；

该嵌槽块(13)的形状构造是；主体呈L型的异型3D打印件，底面三孔通过螺栓与载荷碳纤维底板(5)及控制碳纤维底板(8)其中的一种连接，侧面四通孔通过螺栓与压板(14)相连接；

该压板(14)的形状构造是：方形，表面留有四通孔，用于通过螺栓和嵌槽块(13)连接；

所述的实验平台的槽型组装件设置有八个，分别是槽型组装件Ⅰ(15)、槽型组装件Ⅱ(16)、槽型组装件Ⅲ(17)、槽型组装件Ⅳ(18)、槽型组装件Ⅴ(19)、槽型组装件Ⅵ(20)、槽型组装件Ⅶ(21)和槽型组装件Ⅷ(22)；

所述的八个槽型组装件Ⅰ(15)、Ⅱ(16)、Ⅲ(17)、Ⅳ(18)、Ⅴ(19)、Ⅵ(20)、Ⅶ(21)、Ⅷ(22)的结构相同；两件为一组，共分为四组，每一组用于固定一套动力套件，能实现动力套件的快速添装与拆卸；

所述的动力套件包括：通体碳管(23)、舵机紧固件Ⅰ(24)、舵机紧固件Ⅱ(25)、偏摆舵机Ⅰ(26)、偏摆舵机Ⅱ(27)、舵机摆臂Ⅰ(28)、舵机摆臂Ⅱ(29)、法兰球铰底座(30)、鱼眼连杆Ⅰ(31)、鱼眼连杆Ⅱ(32)、共轴无刷电机(33)、螺旋桨叶Ⅰ(34)和螺旋桨叶Ⅱ(35)；它们相互之间的关系是：该舵机紧固件Ⅰ(24)、Ⅱ(25)通过能调节大小的中心通孔夹紧通体碳管(23)；该偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)分别通过螺栓固定在舵机紧固件Ⅰ(24)、Ⅱ(25)上；该舵机摆臂Ⅰ(28)、Ⅱ(29)分别通过螺丝与偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)的输出轴连接；该法兰球铰底座(30)通过正面的球铰座与通体碳管(23)的球头端铰连接；该鱼眼连杆Ⅰ(31)的两端分别通过螺丝连接在舵机摆臂Ⅰ(26)和法兰球铰底座(30)上；该鱼眼连杆Ⅱ(32)的两端分别通过螺丝连接在舵机摆臂Ⅱ(27)和法兰球铰底座(30)上；偏摆舵机Ⅰ(28)的输出轴、偏摆舵机Ⅱ(29)的输出轴和通体碳管(23)轴向三者之间两两垂直；螺旋桨叶Ⅰ(34)、Ⅱ(35)用螺栓安装在共轴无刷电机(33)的输出轴上；

该通体碳管(23)的形状构造是：轻质高刚度碳方管，其一端为正方形截面，用于嵌套进嵌槽块(13)的凹槽中；另一末端附着有圆形球头，用于和法兰球铰底座(30)铰连接；

该舵机紧固件Ⅰ(24)和舵机紧固件Ⅱ(25)的结构相同，其形状构造是：9型，中心通孔能通过螺栓调节大小，用于夹紧通体碳管(23)；

该偏摆舵机Ⅰ(26)和偏摆舵机Ⅱ(27)选用相同的现有产品；

该舵机摆臂Ⅰ(28)和舵机摆臂Ⅱ(29)的结构相同，其形状构造是：L型，短侧为圆环状，圆环内壁带有轴向细齿，用于和偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)的输出轴连接；长侧带有通孔，用于螺栓连接；

该法兰球铰底座(30)的形状构造是：圆盘形，正面圆心位置有加工成的球铰连接座；连接座沿径向伸出两支短臂，上留有螺纹孔，用于和鱼眼连杆Ⅰ(31)、Ⅱ(32)连接；背面圆周对称分布八孔用于通过螺栓和共轴无刷电机(33)连接；

该鱼眼连杆Ⅰ(31)和鱼眼连杆Ⅱ(32)结构相同，其形状构造是：一细杆两端分别固连鱼眼轴承；

该共轴无刷电机(33)选用现有产品；

该螺旋桨叶Ⅰ(34)、Ⅱ(35)选用型号相同的现有产品；

所述的动力套件设置有四个，分别是动力套件Ⅰ(1)、动力套件Ⅱ(2)、动力套件Ⅲ(3)动力套件Ⅳ(4)；

该四个动力套件Ⅰ(1)、Ⅱ(2)、Ⅲ(3)、Ⅳ(4)的结构相同；

所述的八个槽型组装件与四个动力套件以二比一的关系组合，能实现动力套件的快速添装与拆卸；

所述的脚架包括：脚架连接块(40)、脚架杆(41)和脚架垫块(42)；它们相互之间的关系是：该脚架杆(41)的两端分别插进脚架连接块(40)和脚架垫块(42)的盲孔中，通过胶粘及顶丝中的一种连接；

该脚架连接块(40)的形状构造是：类三棱锥的异型3D打印件，底面三孔用于通过螺栓连接控制碳纤维底板(8)，顶点处的盲孔用于插接脚架杆(41)；

该脚架杆(41)的形状构造是：碳纤维空心圆管；

该脚架垫块(42)的形状构造是：类三棱锥的异型3D打印件，底面粗糙，以增强与地面间的摩擦力，顶点处的盲孔用于插接脚架杆(41)；

所述的脚架设置有四个，分别是脚架Ⅰ(43)、脚架Ⅱ(44)、脚架Ⅲ(45)、脚架Ⅳ(46)，它们通过螺栓固定在控制碳纤维底板(8)上，相对控制碳纤维底板(8)的圆心，呈中心对称均匀排布，起到实验过程中对实验平台的支撑作用。

(3)优点和功效

1、具有与可回收火箭发动机相似的矢量推力形式：本发明利用舵机和电机的组合，使用舵机控制推力方向，使用共轴双桨电机产生的气动力作为单向推力，相比于直接使用单桨电机的优势在于，不会在产生单向推力的同时产生反扭矩，能够更为真实地模拟发动机推力形式，实现与火箭发动机喷管组这一动力结构功能相似的矢量形式的推力输出；

2、具有与可回收火箭相同的冗余配置结构：本发明采用四组三自由度的动力装置，形成具有十二控制自由度的冗余配置系统；能够产生一共十二个控制自由度，相对于箭体本身具有的六个自由度，具有冗余驱动的动力特性，在提供更大控制自由度的同时，在个别动力机构失效的情况下，具有控制重构能力；

3、模拟可回收火箭垂直着陆过程：本发明整体结构设计模仿可回收火箭一子级结构，按照上下结构分为上层的圆柱型箭体部分和下层的动力输出部分；并设有脚架结构，能模拟着陆过程中的触地稳定过程；整体设计能体现可回收火箭垂直着陆过程的主要结构特征和动力特点，能作为模拟可回收火箭垂直着陆过程的方法验证实验平台；

4、全天候多模态实验条件模拟能力：本发明能通过改变载荷平台中的实验载荷(7)具体形式，改变验证实验的具体内容；如将实验载荷(7)设置为大面积挡板，配合外部风扇，能模拟垂直着陆过程中的风干扰；设置为盛有液体的水桶，能模拟可回收火箭液体燃料晃动；设置为柔性载荷，能模拟火箭箭体的高阶弹性运动特性等；

5、能够安全便捷拆装，应对室内实验需求：本发明采用独立可复制的槽型组装件来固定动力套件，方便添加或拆卸动力套件，形成不同推力组合的可回收飞行器物理实验平台；整个平台样机需求功率小，不易造成实验人员受伤，实际占用空间体积小，适合室内实验场景的使用；

6、具有一定的动力结构扩展能力：本发明动力套件中的偏摆舵机Ⅰ(26)、偏摆舵机Ⅱ(27)和共轴无刷电机(33)，均可以根据不同载荷需求选用不同型号产品；以此实现不同指标需求下的动力结构组合，具备不同级别的控制精度和承载能力；

7、本发明结构简单，成本低廉，具有推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的控制平台及槽型组装件组成的装配体的正视图。

图3为本发明动力套件的立体结构示意图。

图4为本发明槽型组装件的立体结构示意图

图5为本发明脚架的正视图。

图中具体标号如下：

1动力套件Ⅰ 2动力套件Ⅱ 3动力套件Ⅲ 4动力套件Ⅳ

5载荷碳纤维底板 6支撑柱 7实验载荷 36载荷连接件Ⅰ

37载荷连接件Ⅱ 38载荷连接件Ⅲ 39载荷连接件Ⅳ 43脚架Ⅰ

44脚架Ⅱ 45脚架Ⅲ 46脚架Ⅳ

8控制碳纤维底板 9主控底座Ⅰ 10主控底座Ⅱ 11柔性缓冲管

12主控板 15槽型组装件Ⅰ 16槽型组装件Ⅱ 17槽型组装件Ⅲ

18槽型组装件Ⅳ 19槽型组装件Ⅴ 20槽型组装件Ⅵ 21槽型组装件Ⅶ

22槽型组装件Ⅷ

23通体碳管 24舵机紧固件Ⅰ 25舵机紧固件Ⅱ 26偏摆舵机Ⅰ

27偏摆舵机Ⅱ 28舵机摆臂Ⅰ 29舵机摆臂Ⅱ 30法兰球铰底座

31鱼眼连杆Ⅰ 32鱼眼连杆Ⅱ 33共轴无刷电机 34螺旋桨叶Ⅰ

35螺旋桨叶Ⅱ

13嵌槽块 24压板

40脚架连接块 41脚架杆42 脚架垫块

具体实施方式

见图1-图5，本发明一种模拟可回收火箭矢量推力冗余配置的实验平台，包括载荷平台、控制平台、槽型组装件、动力套件、脚架；它们相互之间的关系是：所述控制平台与所述载荷平台通过若干根等长的支撑柱(6)连接，形成一个整体结构；所述动力套件可以适合地嵌套进所述槽型组装件，再通过两个分别用螺栓固定在所述载荷平台和所述控制平台上的槽型组装件，连接在所述载荷平台和所述控制平台的边界处；所述脚架通过螺栓连接在控制平台的底面；动力套件共有四组，相互之间呈圆周均匀分布；

见图1，载荷平台包括载荷碳纤维底板(5)、支撑柱(6)、载荷连接件Ⅰ(36)、载荷连接件Ⅱ(37)、载荷连接件Ⅲ(38)、载荷连接件Ⅳ(39)和实验载荷(7)；它们相互之间的关系是：该支撑住(6)通过螺栓连接在载荷碳纤维底板(5)底面，用于所述控制平台与载荷平台的连接；该实验载荷(7)通过载荷连接件Ⅰ(36)、Ⅱ(37)、Ⅲ(38)、Ⅳ(39)固定在载荷碳纤维底板(5)上，如使用螺栓连接或胶粘结，结果是实验载荷(7)与载荷碳纤维底板(5)不发生相对运动；

该载荷碳纤维底板(5)的形状构造是：切割成圆形的型材板件，如3mm厚的碳纤维板，并镂空有多个整齐密布的六边形通孔；

该支撑住(6)的形状构造是：I型，两端有螺纹孔的铜柱，共设置有四根；

该载荷连接件Ⅰ(36)、Ⅱ(37)、Ⅲ(38)、Ⅳ(39)的结构相同，形状构造根据所固定的实验载荷(7)确定，以实验载荷(7)使用水桶为例，其形状构造是：主体呈L型的异型3D打印件，底面和侧面之间夹有筋条，用于斜拉支撑；

该实验载荷(7)的形状构造是：不限于使用水桶，柔性体，倒立摆等作为主要构成部分的实验所需部件，以模拟实际任务中所具有的环境特性和箭体具有的动力学特性；

见图2，控制平台包括控制碳纤维底板(8)、主控底座Ⅰ(9)、主控底座Ⅱ(10)、柔性缓冲管(11)和主控板(12)等；它们相互之间的关系是：该主控板(12)粘接在主控底座Ⅱ(10)上；该主控底座Ⅰ(9)粘接于控制碳纤维底板(8)正面中心处；该柔性缓冲管(11)的两端分别穿过主控底座Ⅰ(9)和主控底座Ⅱ(10)的圆形通孔，使主控板(12)和控制碳纤维底板(8)之间形成柔性缓冲连接；

该控制碳纤维底板(8)的形状构造是：切割成圆形的型材板件，如3mm厚的碳纤维板，并镂空有多个整齐密布的六边形通孔；

该主控底座Ⅰ(9)和主控底座Ⅱ(10)的结构相同，其形状构造是：长方形四个顶点处镂空有圆环的轻质板材，方便柔性缓冲管(11)卡嵌入其中；

该柔性缓冲管(11)的形状构造是：两端带有1mm左右内陷卡槽结构的软质橡胶管，设置有四个；

该主控板(12)选用现有产品，其型号为3DR

1(美国3DR公司基于

(Lorenz Meier拥有该商标)开源项目制造的飞行控制主板)；

见图3，动力套件包括：通体碳管(23)、舵机紧固件Ⅰ(24)、舵机紧固件Ⅱ(25)、偏摆舵机Ⅰ(26)、偏摆舵机Ⅱ(27)、舵机摆臂Ⅰ(28)、舵机摆臂Ⅱ(29)、法兰球铰底座(30)、鱼眼连杆Ⅰ(31)、鱼眼连杆Ⅱ(32)、共轴无刷电机(33)、螺旋桨叶Ⅰ(34)和螺旋桨叶Ⅱ(35)等；它们相互之间的关系是：该舵机紧固件Ⅰ(24)、Ⅱ(25)通过可调节大小的中心通孔夹紧通体碳管(23)；该偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)分别通过螺栓固定在舵机紧固件Ⅰ(24)、Ⅱ(25)上；该舵机摆臂Ⅰ(28)、Ⅱ(29)分别通过螺丝与偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)的输出轴连接；该法兰球铰底座(30)通过正面的球铰座与通体碳管(23)的球头端铰连接；该鱼眼连杆Ⅰ(31)的两端分别通过螺丝连接在舵机摆臂Ⅰ(26)和法兰球铰底座(30)上；该鱼眼连杆Ⅱ(32)的两端分别通过螺丝连接在舵机摆臂Ⅱ(27)和法兰球铰底座(30)上；偏摆舵机Ⅰ(28)的输出轴、偏摆舵机Ⅱ(29)的输出轴和通体碳管(23)轴向三者之间两两垂直；螺旋桨叶Ⅰ(34)、Ⅱ(35)用螺栓安装在共轴无刷电机(33)的输出轴上；

该通体碳管(23)的形状构造是：轻质高刚度碳方管，其一端为正方形截面，用于嵌套进嵌槽块(13)的凹槽中；另一末端附着有圆形球头，用于和法兰球铰底座(30)铰连接；

该舵机紧固件Ⅰ(24)和舵机紧固件Ⅱ(25)的结构相同，其形状构造是：9型，中心通孔可以通过螺栓调节大小，用于夹紧通体碳管(23)；

该偏摆舵机Ⅰ(26)和偏摆舵机Ⅱ(27)选用相同的现有产品，其型号为深圳市银燕模型技术有限公司的ES08MA-Ⅱ型金属模拟舵机；

该舵机摆臂Ⅰ(28)和舵机摆臂Ⅱ(29)的结构相同，其形状构造是：L型，短侧为圆环状，圆环内壁带有轴向细齿，用于和偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)的输出轴连接；长侧带有通孔，用于螺栓连接；

该法兰球铰底座(30)的形状构造是：圆盘形，正面圆心位置有加工成的球铰连接座；连接座沿径向伸出两支短臂，上留有螺纹孔，用于和鱼眼连杆Ⅰ(31)、Ⅱ(32)连接；背面圆周对称分布八孔用于通过螺栓和共轴无刷电机(33)连接；

该鱼眼连杆Ⅰ(31)和鱼眼连杆Ⅱ(32)结构相同，其形状构造是：一细杆两端分别固连鱼眼轴承；

该共轴无刷电机(33)选用现有产品，其型号为孝感亿欧电子科技有限公司(Dancing Wings Hobby)AEO-CRM2208型；

该螺旋桨叶Ⅰ(34)、Ⅱ(35)选用型号相同的现有产品，其型号为东莞广营电子科技有限公司GWS8040型桨；

见图1，动力套件设置有四个，分别是动力套件Ⅰ(1)、动力套件Ⅱ(2)、动力套件Ⅲ(3)动力套件Ⅳ(4)；

见图1，该四个动力套件Ⅰ(1)、Ⅱ(2)、Ⅲ(3)、Ⅳ(4)的结构相同；四个动力套件通过四组槽型组装件，固定在载荷碳纤维底板(5)和控制碳纤维底板(8)上；

见图4，槽型组装件包括嵌槽块(13)和压板(14)等；它们相互之间的关系是：该压板(14)覆盖于嵌槽块(13)的槽口上，之间通过螺栓连接；

该嵌槽块(13)的形状构造是；主体呈L型的异型3D打印件，底面三孔通过螺栓与载荷碳纤维底板(5)或控制碳纤维底板(8)连接，侧面四通孔通过螺栓与压板(14)相连接；

该压板(14)的形状构造是：方形，表面留有四通孔，用于通过螺栓和嵌槽块(13)连接；

见图2，槽型组装件设置有八个，分别是槽型组装件Ⅰ(15)、槽型组装件Ⅱ(16)、槽型组装件Ⅲ(17)、槽型组装件Ⅳ(18)、槽型组装件Ⅴ(19)、槽型组装件Ⅵ(20)、槽型组装件Ⅶ(21)和槽型组装件Ⅷ(22)；

见图2，八个槽型组装件Ⅰ(15)、Ⅱ(16)、Ⅲ(17)、Ⅳ(18)、Ⅴ(19)、Ⅵ(20)、Ⅶ(21)、Ⅷ(22)的结构相同；纵向排布的两个槽型组装件设置为一组，共有四组，第一组为槽型组装件Ⅰ(15)和Ⅱ(16)、第二组为槽型组装件Ⅲ(17)和Ⅳ(18)、第三组为槽型组装件Ⅴ(19)和Ⅵ(20)、以及第四组为槽型组装件Ⅶ(21)和Ⅷ(22)；

见图2，每一组槽型组装件分别连接一个动力套件，作用是将动力套件固定在载荷平台和控制平台连接形成的实验平台主体上；

见图5，脚架包括：脚架连接块(40)、脚架杆(41)、脚架垫块(42)等；它们相互之间的关系是：脚架杆(41)的两端分别插进脚架连接块(40)和脚架垫块(42)的盲孔中，通过胶粘或顶丝连接；

该脚架连接块(40)的形状构造是：类三棱锥的异型3D打印件，底面三孔用于通过螺栓连接控制碳纤维底板(8)，顶点处的盲孔用于插接脚架杆(41)；

该脚架杆(41)的形状构造是：碳纤维空心圆管；

该脚架垫块(42)的形状构造是：类三棱锥的异型3D打印件，底面粗糙，以增强与地面间的摩擦力，顶点处的盲孔用于插接脚架杆(41)；

见图1，脚架设置有四个，分别是脚架Ⅰ(43)、脚架Ⅱ(44)、脚架Ⅲ(45)、脚架Ⅳ(46)，它们通过螺栓固定在控制碳纤维底板(8)上，相对控制碳纤维底板(8)的圆心，呈中心对称均匀排布，起到实验过程中对实验平台的支撑作用；

具体使用的过程，主要包含以下内容：

实验人员向图2中的主控板(12)写入可回收火箭制导控制实验程序，并将动力套件中的舵机和电机分别接入电源，电源形式可为机载锂电池或外部移动电源线。主控板(12)开机，在保护措施下进行制导控制算法测试实验。根据所需工况环境，设置图1中实验载荷(7)的具体形式。

如图3所示，共轴无刷电机(33)产生的气动推力主体方向朝下，一部分用于抵消重力，一部分用来执行机动动作，通过调节转速，可以改变气动推力的大小。通过转动偏摆舵机Ⅰ(26)和偏摆舵机Ⅱ(27)，能实现气动推力方向在两互相垂直平面内的调节，由此产生矢量推力形式。

如图1所示，在使用过程中，四个动力套件Ⅰ(1)、Ⅱ(2)、Ⅲ(3)、Ⅳ(4)之间呈并联结构关系，互相独立，可单独产生三自由度矢量推力，以响应主控板(12)给出的制导控制指令，实现实验平台的位置和姿态机动。

本发明一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台，采用四组三自由度的动力装置，形成具有十二控制自由度的冗余配置动力系统，实现与火箭发动机喷管功能相似的矢量形式的推力输出。能通过改变实验载荷，模拟不同的实验环境，达到全天候模拟可回收火箭垂直着陆过程的效果。利用舵机和电机形成动力组合套件，可独立拆装。其中舵机和共轴无刷电机均可以根据不同载荷需求选用不同型号产品，形成不同推力组合的可回收飞行器物理实验平台，因此具有一定的任务拓展性。总体设计结构简单，各组件功能符合应用需求。相比于现有的同类产品成本低廉，安全便捷，适用于在室内快速验证可回收火箭制导控制算法，具有推广应用价值。

Claims (5)

1.一种模拟可回收火箭的矢量推力冗余配置的实验平台，其特征在于：所述实验平台包括载荷平台、控制平台、槽型组装件、动力套件及脚架；所述控制平台与所述载荷平台通过复数根等长的支撑柱(6)连接，形成一个整体结构；所述动力套件能适合地嵌套进所述槽型组装件，再通过两个分别用螺栓固定在所述载荷平台和所述控制平台上的槽型组装件，连接在所述载荷平台和所述控制平台的边界处；所述脚架通过螺栓连接在控制平台的底面；动力套件共有四组，相互之间呈圆周均匀分布；

所述的载荷平台包括载荷碳纤维底板(5)、支撑柱(6)、载荷连接件Ⅰ(36)、载荷连接件Ⅱ(37)、载荷连接件Ⅲ(38)、载荷连接件Ⅳ(39)和实验载荷(7)；该支撑住(6)通过螺栓连接在载荷碳纤维底板(5)底面，用于所述控制平台与载荷平台的连接；该实验载荷(7)通过载荷连接件Ⅰ(36)、Ⅱ(37)、Ⅲ(38)、Ⅳ(39)固定在载荷碳纤维底板(5)上，如使用螺栓连接或胶粘结，结果是实验载荷(7)与载荷碳纤维底板(5)不发生相对运动；

该载荷碳纤维底板(5)的形状构造是：切割成圆形的型材板件，并镂空有复数个整齐密布的六边形通孔；

该支撑住(6)的形状构造是：两端有螺纹孔的六角铜柱，共设置有四根；

该载荷连接件Ⅰ(36)、Ⅱ(37)、Ⅲ(38)、Ⅳ(39)的结构相同，形状构造根据所固定的实验载荷(7)确定，主体呈L型的异型3D打印件，底面和侧面之间夹有筋条，用于斜拉支撑；

该实验载荷(7)的形状构造是：不限于使用水桶，柔性体，挡板和倒立摆作为构成部分的实验所需部件，以模拟实际任务中所具有的环境特性和箭体具有的动力学特性；

所述的控制平台包括控制碳纤维底板(8)、主控底座Ⅰ(9)、主控底座Ⅱ(10)、柔性缓冲管(11)和主控板(12)；该主控板(12)粘接在主控底座Ⅱ(10)上；该主控底座Ⅰ(9)粘接于控制碳纤维底板(8)正面中心处；该柔性缓冲管(11)的两端分别穿过主控底座Ⅰ(9)和主控底座Ⅱ(10)的圆形通孔，使主控板(12)和控制碳纤维底板(8)之间形成柔性缓冲连接；

该控制碳纤维底板(8)的形状构造是：切割成圆形的型材板件，并镂空有复数个整齐密布的六边形通孔；

该主控底座Ⅰ(9)和主控底座Ⅱ(10)的结构相同，其形状构造是：长方形四个顶点处镂空有圆环的轻质板材，方便柔性缓冲管(11)卡嵌入其中；

该柔性缓冲管(11)的形状构造是：两端带有1mm左右内陷卡槽结构的软质橡胶管，设置有四个；

所述的槽型组装件包括嵌槽块(13)和压板(14)；该压板(14)覆盖于嵌槽块(13)的槽口上，之间通过螺栓连接；

该嵌槽块(13)的形状构造是；主体呈L型的异型3D打印件，底面三孔通过螺栓与载荷碳纤维底板(5)及控制碳纤维底板(8)其中的一种连接，侧面四通孔通过螺栓与压板(14)相连接；

该压板(14)的形状是：方形，表面留有四通孔，用于通过螺栓和嵌槽块(13)连接；

所述的实验平台的槽型组装件设置有八个，分别是槽型组装件Ⅰ(15)、槽型组装件Ⅱ(16)、槽型组装件Ⅲ(17)、槽型组装件Ⅳ(18)、槽型组装件Ⅴ(19)、槽型组装件Ⅵ(20)、槽型组装件Ⅶ(21)和槽型组装件Ⅷ(22)；

所述的八个槽型组装件Ⅰ(15)、Ⅱ(16)、Ⅲ(17)、Ⅳ(18)、Ⅴ(19)、Ⅵ(20)、Ⅶ(21)、Ⅷ(22)的结构相同；两件为一组，共分为四组，每一组用于固定一套动力套件，能实现动力套件的快速添装与拆卸；

所述的动力套件包括：通体碳管(23)、舵机紧固件Ⅰ(24)、舵机紧固件Ⅱ(25)、偏摆舵机Ⅰ(26)、偏摆舵机Ⅱ(27)、舵机摆臂Ⅰ(28)、舵机摆臂Ⅱ(29)、法兰球铰底座(30)、鱼眼连杆Ⅰ(31)、鱼眼连杆Ⅱ(32)、共轴无刷电机(33)、螺旋桨叶Ⅰ(34)和螺旋桨叶Ⅱ(35)；该舵机紧固件Ⅰ(24)、Ⅱ(25)通过能调节大小的中心通孔夹紧通体碳管(23)；该偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)分别通过螺栓固定在舵机紧固件Ⅰ(24)、Ⅱ(25)上；该舵机摆臂Ⅰ(28)、Ⅱ(29)分别通过螺丝与偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)的输出轴连接；该法兰球铰底座(30)通过正面的球铰座与通体碳管(23)的球头端铰连接；该鱼眼连杆Ⅰ(31)的两端分别通过螺丝连接在舵机摆臂Ⅰ(26)和法兰球铰底座(30)上；该鱼眼连杆Ⅱ(32)的两端分别通过螺丝连接在舵机摆臂Ⅱ(27)和法兰球铰底座(30)上；偏摆舵机Ⅰ(28)的输出轴、偏摆舵机Ⅱ(29)的输出轴和通体碳管(23)轴向三者之间两两垂直；螺旋桨叶Ⅰ(34)、Ⅱ(35)用螺栓安装在共轴无刷电机(33)的输出轴上；

该通体碳管(23)的形状构造是：轻质高刚度碳方管，其一端为正方形截面，用于嵌套进嵌槽块(13)的凹槽中；另一末端附着有圆形球头，用于和法兰球铰底座(30)铰连接；

该舵机紧固件Ⅰ(24)和舵机紧固件Ⅱ(25)的结构相同，其形状构造是：9型，中心通孔能通过螺栓调节大小，用于夹紧通体碳管(23)；

该舵机摆臂Ⅰ(28)和舵机摆臂Ⅱ(29)的结构相同，其形状是L型，短侧为圆环状，圆环内壁带有轴向细齿，用于和偏摆舵机Ⅰ(26)、Ⅱ(27)的输出轴连接；长侧带有通孔，用于螺栓连接；

该法兰球铰底座(30)的形状是圆盘形，正面圆心位置有加工成的球铰连接座；连接座沿径向伸出两支短臂，上留有螺纹孔，用于和鱼眼连杆Ⅰ(31)、Ⅱ(32)连接；背面圆周对称分布八孔用于通过螺栓和共轴无刷电机(33)连接；

该鱼眼连杆Ⅰ(31)和鱼眼连杆Ⅱ(32)结构相同，其形状构造是：一细杆两端分别固连鱼眼轴承；

所述的动力套件设置有四个，分别是动力套件Ⅰ(1)、动力套件Ⅱ(2)、动力套件Ⅲ(3)动力套件Ⅳ(4)；

该四个动力套件Ⅰ(1)、Ⅱ(2)、Ⅲ(3)、Ⅳ(4)的结构相同；

所述的八个槽型组装件与四个动力套件以二比一的关系组合，能实现动力套件的快速添装与拆卸；

所述的脚架包括：脚架连接块(40)、脚架杆(41)和脚架垫块(42)；该脚架杆(41)的两端分别插进脚架连接块(40)和脚架垫块(42)的盲孔中，通过胶粘及顶丝中的一种连接；

该脚架连接块(40)的形状构造是：类三棱锥的异型3D打印件，底面三孔用于通过螺栓连接控制碳纤维底板(8)，顶点处的盲孔用于插接脚架杆(41)；

该脚架杆(41)的形状构造是：碳纤维空心圆管；

该脚架垫块(42)的形状构造是：类三棱锥的异型3D打印件，底面粗糙，以增强与地面间的摩擦力，顶点处的盲孔用于插接脚架杆(41)；

所述的脚架设置有四个，分别是脚架Ⅰ(43)、脚架Ⅱ(44)、脚架Ⅲ(45)、脚架Ⅳ(46)，它们通过螺栓固定在控制碳纤维底板(8)上，相对控制碳纤维底板(8)的圆心，呈中心对称均匀排布，起到实验过程中对实验平台的支撑作用。

2.根据权利要求1所述的一种低成本矢量推力冗余配置的实验平台，其特征在于：该主控板(12)其选用型号为美国3DR公司的3DR

1。

3.根据权利要求1所述的一种低成本矢量推力冗余配置的实验平台，其特征在于：该偏摆舵机Ⅰ(26)和偏摆舵机Ⅱ(27)选用型号为深圳市银燕模型技术有限公司的ES08MA-Ⅱ型金属模拟舵机。

4.根据权利要求1所述的一种低成本矢量推力冗余配置的实验平台，其特征在于：该共轴无刷电机(33)选用型号为孝感亿欧电子科技有限公司的AEO-CRM2208型。

5.根据权利要求1所述的一种低成本矢量推力冗余配置的实验平台，其特征在于：该螺旋桨叶Ⅰ(34)和Ⅱ(35)选用型号为东莞广营电子科技有限公司的GWS8040型桨。

Images