CN116534295A - 基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，包括桁架、直线模组、电磁铁、探测模拟器、零刚度机构、伴随车和模拟星表；所述桁架安装在模拟星表上，模拟星表中间铺设导轨，在导轨正上方的桁架上设有直线模组，所述直线模组的移动块上设有电磁铁，直线模组能够通过电磁铁与探测模拟器连接，所述探测模拟器通过零刚度机构安装至伴随车，所述伴随车能够在导轨上运动。本发明适用于月球、火星及其他小行星探测器的着陆缓冲地面试验，对于着陆腿着陆，特别是主动腿软着陆的着陆缓冲提供了高保真的全物理仿真模拟器试验。

Description

基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验的装置 及使用方法

技术领域

本发明属于航天领域，尤其是涉及基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验的装置及使用方法。

背景技术

微低重力场探测器的软着陆作为地外天体探测工程的关键环节，在着陆过程中，探测器承受的冲击荷载直接关系到探测设备的着陆安全及后续探测工作的实施。探测器的着陆过程不可逆，面临较多的不确定因素，是一项难度大、风险高的任务，每年都有多个航天型号由于着陆时的冲击发生质量问题，包括着陆冲击导致的控制产品元器件失效、冲击致结构破坏、冲击过大不满足使用指标等。由于缺乏对探测器着陆冲击载荷下的耦合碰撞机理认识，对星壤与探测器相互作用特性研究目前还处在试验、改进、再试验的阶段。因此，如何提高微低重力场着陆的地面模拟试验精准度具有重要的研究意义；

目前常用的微低重力场着陆地面模拟试验的方法包括缩比模型直接下落法、加速下落法、中性浮力法、被动配重法、摆锤法和倾斜平面法等。其中，加速下落法、中性浮力法和摆锤法试验成本高，加速下落法精度高但试验时间极短、中性浮力法和摆锤法试验精度低；缩比模型直接下落法通过改变质量以匹配星体引力，因此系统能量较实际状态小，对着陆性能的考核有缺陷；被动配重法受限于摩擦等干扰因素，精度较低；倾斜平面法试验成本适中，但试验过程、数据处理复杂，试验风险高。

专利CN113104241A介绍了一种探测器着陆试验初始飞行状态的模拟方法及装置，其中装置包括压紧杆、塔架、万向吊具以及吊绳，方法包含试验起始点的设定和探测器对应飞行参数的模拟，并给出了试验中关键控制参数的设定规则，能够在着陆验证试验中设定合理的起始点并准确模拟探测器对应飞行状态参数和工作模式，能够保证试验中探测器顺利转入后续的着陆飞行，实现对其着陆过程进行综合验证的目的。适用于探测器硬着陆的地面验证试验，对于着陆缓冲软着陆的探测器着陆腿，着陆后会出现缓冲过程，且着陆过程高动态，此专利由于吊绳的存在，不能达到高动态的快速响应，因此需要研制一套适合主动腿着陆缓冲软着陆的地面验证系统。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验的装置及使用方法，通过竖直向零刚度+伺服随动的方式，可实现竖直向支撑力的高动态响应和高精度跟随，模拟精度可大大提高。通过竖直向支撑的方式，调节竖直向支撑力的大小，卸载地球的额外重力，可模拟地外天体例如月球、火星、小行星的微重力环境，直线模组可带动探测器模拟器进行水平起速，电磁铁释放可获得竖直向的着陆速度，可组合完成整体的着陆缓冲地面验证试验。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，包括桁架、直线模组、电磁铁、探测模拟器、零刚度机构、伴随车和模拟星表；实现探测器着陆缓冲着陆的地面验证试验，尤其可覆盖被动腿的硬着陆和主动腿的软着陆地面试验验证工作；

所述桁架安装在模拟星表上，模拟星表中间铺设导轨，在导轨正上方的桁架上设有直线模组，所述直线模组的移动块上设有电磁铁，直线模组能够通过电磁铁与探测模拟器连接，

所述探测模拟器通过零刚度机构安装至伴随车，所述伴随车能够在跑道上移动。

进一步的，所述桁架由球杆机构搭建而成，连接直线模组，模拟器连接在桁架结构上，实现水平起速以及垂直下落的着陆缓冲工况，其结构的稳定性好，可承受吨级重量；

进一步的，所述直线模组连接在桁架结构上，为探测模拟器提供水平速度，当无水平速度时，直线模组不需运动，原地释放电磁铁，可获得垂直速度，既有水平速度，又有垂直速度时，直线模组带动探测器模拟器运动，达到预定水平速度后释放电磁铁；

进一步的，所述电磁铁起到与直线模组和探测器模拟器的连接作用，电磁铁的通断电可实现模拟器的释放下落，当有水平速度和垂直速度时，通过检测模组的水平速度，来控制电磁铁的自动通断电；

进一步的，所述探测模拟器其中包括模拟器框架、气浮球轴承、平面气垫、气浮平台、着陆腿组成，探测模拟器需要模拟出真实探测器的质量和惯量，以及六个自由度的释放，其中气浮球轴承释放了三个转动自由度，平面气垫在小平台上滑动，释放了两个平动自由度，竖直向自由度由零刚度机构实现，为着陆腿模拟出真实的着陆载荷，模拟效果更加真实、有效。

进一步的，所述零刚度机构包括磁致零刚度和伺服随动，磁致零刚度是由电磁铁等结构组成的，本结构可实现±5mm的范围内实现力值不变，因此探测器模拟器着陆过程中，面对高动态的着陆特性，磁致零刚度是纯被动的方式，可适时跟随高冲击、小行程的着陆运动特性；伺服随动由丝杠、电机等组成，探测模拟器着陆过程要进行着陆缓冲，缓冲行程较大，仅仅磁致零刚度的行程是远远满足不了着陆运动特性的，因此在磁致零刚度下方串联伺服随动，通过光栅检测零刚度的位置变化，控制随动机构的运动，当磁致零刚度出现位移变化时，伺服随动会快速响应，来补偿着陆缓冲过程中的运动行程；零刚度机构卸载探测器模拟器的重量，当模拟月球着陆时，零刚度机构需要承载模拟器5/6的重量，模拟出1/6g的重力加速度；其他地外天体的模拟着陆方式与此相同，只需改变零刚度机构的卸载重量；

进一步的，所述伴随车是跟随着陆模拟装置一起运动，当探测器只有垂直速度时，伴随车不需要跟随运动，只需要静止释放电磁铁即可实现垂直速度的着陆缓冲，当即有水平速度又有垂直速度时，直线模组带动模拟器水平起速，此时伴随车跟随运动，直至模拟器着陆后稳定为止，伴随车可停止运动。由于气浮平台的存在，控制系统中伴随车跟随精度可降低指标；

进一步的，所述模拟星表根据模拟地外天体的表面特性，对星表表面进行模拟，可通过设计实现凹坑、凸台、坡度的星表特性；

进一步的，所述探测模拟器实现模拟真实探测器的质量和惯量，以及六个自由度的释放。

进一步的，所述零刚度机构能够在±5mm的范围内实现力值不变。

基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、试验装置系统装配；

S2、试验前调节；调节零刚度机构，平衡掉探测模拟器5/6质量，其余1/6质量由探测模拟器上端悬吊力平衡；电磁铁通电，直线模组通过电磁铁与探测模拟器连接；

S3、开始试验；

只有垂直速度时，电磁铁断电，探测模拟器受到未平衡的1/6g重力做1/6g自由落体运动，直至探测模拟器落到模拟星表上，完成着陆模拟实验；

既有水平速度，又有垂直速度时，直线模组带动探测模拟器运动，伴随车跟随运动；达到预设水平速度时，电磁铁断电将探测模拟器释放，探测模拟器受到1/6g的重力影响，向下做1/6g的加速运动，通过和水平速度组合，探测模拟器做抛物线运动，伴随车始终跟随运动，直至模拟器着陆在模拟星表上状态稳定；

S4、模拟其他地外天体微重力模拟时，通过调节零刚度机构的支撑力，来实现不同重力加速度下着陆的模拟试验，过程与上述过程一致。

相对于现有技术，本发明所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置具有以下优势：

(1)本发明所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，尤其适用于月球、火星及其他小行星探测器的着陆缓冲地面试验，对于主动腿软着陆的着陆缓冲提供了充分真实的全物理仿真模拟器试验，填补了我国空间探测器主动腿软着陆试验的一项技术空白。

(2)本发明所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，可实现水平速度和垂直速度下的组合速度模拟着陆，尤其针对主动腿的着陆缓冲，可实现高冲击、高动态、高精度、大行程的着陆缓冲跟随，实现模拟器主动腿的软着陆的着陆缓冲。

(3)本发明所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，采用二级气浮平台与伴随车的方式结合，实现水平速度下的被动跟随，释放模拟器自由度的同时，解决了伴随车跟随控制精度不够带来的干扰影响。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置示意图；

图2为本发明实施例所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置试验原理示意图。

附图标记说明：

1、桁架；2、直线模组；3、电磁铁；4、探测器模拟器；5、零刚度机构；6、伴随车；7、模拟星表。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

基于竖直向近零刚度机构5的微低重力场着陆模拟试验装置，如图1-图2所示，包括桁架1、直线模组2、电磁铁3、探测模拟器、零刚度机构5、伴随车6和模拟星表7；实现探测器着陆缓冲着陆的地面验证试验，尤其可覆盖被动腿的硬着陆和主动腿的软着陆地面试验验证工作；

所述桁架1安装在模拟星表7上，模拟星表7中间铺设导轨，在导轨正上方的桁架1上设有直线模组2，所述直线模组2的移动块上设有电磁铁3，直线模组2能够通过电磁铁3与探测模拟器连接，

所述探测模拟器通过零刚度机构5安装至伴随车6，所述伴随车6能够在跑道上移动。

优选的，所述桁架1由球杆机构搭建而成，连接直线模组2，模拟器连接在桁架1结构上，实现水平起速以及垂直下落的着陆缓冲工况，其结构的稳定性好，可承受吨级重量；

优选的，所述直线模组2连接在桁架1结构上，为探测模拟器提供水平速度，当无水平速度时，直线模组2不需运动，原地释放电磁铁3，可获得垂直速度，既有水平速度，又有垂直速度时，直线模组2带动探测器模拟器4运动，达到预定水平速度后释放电磁铁3；

优选的，所述电磁铁3起到与直线模组2和探测器模拟器4的连接作用，电磁铁3的通断电可实现模拟器的释放下落，当有水平速度和垂直速度时，通过检测模组的水平速度，来控制电磁铁3的自动通断电；

优选的，所述探测模拟器其中包括模拟器框架、气浮球轴承、平面气垫、气浮平台、着陆腿组成，探测模拟器需要模拟出真实探测器的质量和惯量，以及六个自由度的释放，其中气浮球轴承释放了三个转动自由度，平面气垫在小平台上滑动，释放了两个平动自由度，竖直向自由度由零刚度机构5实现，为着陆腿模拟出真实的着陆载荷，模拟效果更加真实、有效。

优选的，所述零刚度机构5包括磁致零刚度和伺服随动，磁致零刚度是由电磁铁3等结构组成的，本结构可实现±5mm的范围内实现力值不变，因此探测器模拟器4着陆过程中，面对高动态的着陆特性，磁致零刚度是纯被动的方式，可适时跟随高冲击、小行程的着陆运动特性；伺服随动由丝杠、电机等组成，探测模拟器着陆过程要进行着陆缓冲，缓冲行程较大，仅仅磁致零刚度的行程是远远满足不了着陆运动特性的，因此在磁致零刚度下方串联伺服随动，通过光栅检测零刚度的位置变化，控制随动机构的运动，当磁致零刚度出现位移变化时，伺服随动会快速响应，来补偿着陆缓冲过程中的运动行程；零刚度机构5卸载探测器模拟器4的重量，当模拟月球着陆时，零刚度机构5需要承载模拟器5/6的重量，模拟出1/6g的重力加速度；其他地外天体的模拟着陆方式与此相同，只需改变零刚度机构5的卸载重量；

优选的，所述伴随车6是跟随着陆模拟装置一起运动，当探测器只有垂直速度时，伴随车6不需要跟随运动，只需要静止释放电磁铁3即可实现垂直速度的着陆缓冲，当即有水平速度又有垂直速度时，直线模组2带动模拟器水平起速，此时伴随车6跟随运动，直至模拟器着陆后稳定为止，伴随车6可停止运动。由于气浮平台的存在，控制系统中伴随车6跟随精度可降低指标；

优选的，所述模拟星表7根据模拟地外天体的表面特性，对星表表面进行模拟，可通过设计实现凹坑、凸台、坡度的星表特性；

优选的，所述探测模拟器实现模拟真实探测器的质量和惯量，以及六个自由度的释放。

优选的，所述零刚度机构5能够在±5mm的范围内实现力值不变。

基于竖直向近零刚度机构5的微低重力场着陆模拟试验装置的使用方法，包括以下步骤：

S1、试验装置系统装配；

S2、在以在月球表面1/6g为例的低重力场下进行着陆试验；试验前调节；调节零刚度机构5，平衡掉探测模拟器5/6质量，其余1/6质量由探测模拟器上端悬吊力平衡；电磁铁3通电，直线模组2通过电磁铁3与探测模拟器连接；

S3、开始试验；

只有垂直速度时，电磁铁3断电，探测模拟器受到未平衡的1/6g重力做1/6g自由落体运动，直至探测模拟器落到模拟星表7上，完成着陆模拟实验；

既有水平速度，又有垂直速度时，直线模组2带动探测模拟器运动，伴随车6跟随运动；达到预设水平速度时，电磁铁3断电将探测模拟器释放，探测模拟器受到1/6g的重力影响，向下做1/6g的加速运动，通过和水平速度组合，探测模拟器做抛物线运动，伴随车6始终跟随运动，直至模拟器着陆在模拟星表7上状态稳定；

S4、模拟其他地外天体微重力模拟时，通过调节零刚度机构5的支撑力，来实现不同重力加速度下着陆的模拟试验，过程与上述过程一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，其特征在于：包括桁架、直线模组、电磁铁、探测模拟器、零刚度机构、伴随车和模拟星表；

所述桁架安装在模拟星表上，模拟星表中间铺设导轨，在导轨正上方的桁架上设有直线模组，所述直线模组的移动块上设有电磁铁，直线模组能够通过电磁铁与探测模拟器连接，

所述探测模拟器通过零刚度机构安装至伴随车，所述伴随车能够在导轨上移动。

2.根据权利要求1所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，其特征在于：所述探测模拟器实现模拟真实探测器的尺寸、质量和惯量，以及六个自由度的释放。

3.根据权利要求1所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置，其特征在于：所述零刚度机构能够在±5mm的范围内实现力值不变。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于竖直向近零刚度机构的微低重力场着陆模拟试验装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、试验装置系统装配；

S2、试验前调节；调节零刚度机构，平衡掉探测模拟器5/6质量，其余1/6质量由探测模拟器上端悬吊力平衡；电磁铁通电，直线模组通过电磁铁与探测模拟器连接；

S3、开始试验；

只有垂直速度时，电磁铁断电，探测模拟器受到未平衡的1/6g重力做1/6g自由落体运动，直至探测模拟器落到模拟星表上，完成着陆模拟实验；

既有水平速度，又有垂直速度时，直线模组带动探测模拟器运动，伴随车跟随运动；达到预设水平速度时，电磁铁断电将探测模拟器释放，探测模拟器受到1/6g的重力影响，向下做1/6g的加速运动，通过和水平速度组合，探测模拟器做抛物线运动，伴随车始终跟随运动，直至模拟器着陆在模拟星表上状态稳定；

S4、模拟其他地外天体微重力模拟时，通过调节零刚度机构的支撑力，来实现不同重力加速度下着陆的模拟试验，过程与上述过程一致。