航天器空間運(yùn)動(dòng)的地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地面微重力實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種航天器空間運(yùn)動(dòng)的地 面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器地面實(shí)驗(yàn)是航天領(lǐng)域的又一新興的研宄熱點(diǎn)。航天器地面實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^的 展現(xiàn)航天任務(wù)的完成過(guò)程，因此它受到各個(gè)國(guó)家越來(lái)越多的關(guān)注和重視。
[0003] 文獻(xiàn)王奇，陳金明.美國(guó)的中性浮力模擬器及其應(yīng)用[J].航天器環(huán)境工程， 2003(9) :53-59,及文獻(xiàn)馬愛(ài)軍，盧來(lái)潔，張磊等.美國(guó)的中性浮力設(shè)備及其應(yīng)用[J].載人 航天，2012(7) :19-25對(duì)國(guó)外微重力系統(tǒng)及功能進(jìn)行了分析，約翰遜航天中心、馬歇爾宇航 中心以及馬里蘭大學(xué)等一批研宄機(jī)構(gòu)利用各自的地面實(shí)驗(yàn)設(shè)施做了大量的研宄，但是其主 要集中于材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)以及航天員訓(xùn)練等方面。
[0004] 文獻(xiàn)何兆偉，師鵬，葛冰等.航天器地面實(shí)驗(yàn)的相似性分析方法[J].北京航空航 天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012, 38 (4) : 502 - 508,及文獻(xiàn)齊或，師鵬，趙育善.三體問(wèn)題地面實(shí)驗(yàn)的相似 性分析[J].宇航學(xué)報(bào)，2013(10) :1410-1416僅僅對(duì)二體問(wèn)題和三體問(wèn)題建立了地面實(shí)驗(yàn) 的相似性分析方法，但沒(méi)有進(jìn)行普適性的地面等效實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備尺寸等因素的影響，地面無(wú)法對(duì)空間大范圍 運(yùn)動(dòng)、大型機(jī)構(gòu)的操作等進(jìn)行全尺寸有效模擬的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種航天器空間運(yùn)動(dòng) 的地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明給出了可以適用于空間運(yùn)動(dòng)的地面等效實(shí)驗(yàn)任務(wù)的普適 性設(shè)計(jì)方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)解決方案：
[0007] 航天器空間運(yùn)動(dòng)的地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：首先將空間運(yùn)動(dòng)參數(shù) 化；然后用量綱分析方法給出空間原型與地面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停孟嗨菩岳碚?，得到各個(gè)運(yùn)動(dòng)參 數(shù)在原型與模型間的映射關(guān)系；最后利用映射關(guān)系將空間中的任務(wù)按照完全相似的要求對(duì) 應(yīng)到地面微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述設(shè)計(jì)方法具體包括以下步驟：
[0009] 步驟一、空間任務(wù)的參數(shù)化
[0010] 根據(jù)給定的絕對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)任務(wù)和相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)，提取對(duì)應(yīng)航天器的參數(shù)信息；利 用動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算需要的空間原型變量大小；空間原型變量包括力F、引力系數(shù)μ、速度V、 加速度a、角速度ω、角加速度α、沖量I、角動(dòng)量h、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和力矩Μ%
[0011] 步驟二、等效比例因子的確定
[0012] 2. 1)利用量綱分析法獲得模型與原型之間的相似條件，得到原型和模型之間等效 的比例因子，建立等效關(guān)系；
[0013] 對(duì)于空間原型運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，引入三個(gè)基本量綱：質(zhì)量M、長(zhǎng)度L及時(shí)間T ;其他所有 相關(guān)變量均可由基本量綱表示：力F表示為MLT'引力系數(shù)μ表示為L(zhǎng)3T'速度V表示為 LT'加速度a表示為L(zhǎng)T'角速度ω表示為Γ1、角加速度α表示為Γ2、沖量I表示為MLT' 角動(dòng)量h表示為L(zhǎng) 2T'轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J表示為ML2、力矩if表示為ML 2Γ2;
[0014] 2. 2)確定三個(gè)基本量綱對(duì)應(yīng)的等效比例因子，再確定其他參數(shù)對(duì)應(yīng)的等效比例因 子；三個(gè)基本量綱對(duì)應(yīng)的等效比例因子根據(jù)以下公式得到：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 航天器空間運(yùn)動(dòng)的地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括w下步驟：首先將空 間運(yùn)動(dòng)參數(shù)化；然后用量綱分析方法給出空間原型與地面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用相似性理論，得?各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)在原型與模型間的映射關(guān)系；最后利用映射關(guān)系將空間中的任務(wù)按照完全相 似的要求對(duì)應(yīng)到地面微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器空間運(yùn)動(dòng)的地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：具 體包括W下步驟： 步驟一、空間任務(wù)的參數(shù)化 根據(jù)給定的絕對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)任務(wù)和相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)，提取對(duì)應(yīng)航天器的參數(shù)信息；利用動(dòng) 力學(xué)公式計(jì)算需要的空間原型變量大??；空間原型變量包括力F、引力系數(shù)y、速度V、加速 度a、角速度《、角加速度a、沖量I、角動(dòng)量K轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和力矩r; 步驟二、等效比例因子的確定 2. 1)利用量綱分析法獲得模型與原型之間的相似條件，得到原型和模型之間等效的比 例因子，建立等效關(guān)系； 對(duì)于空間原型運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，引入S個(gè)基本量綱；質(zhì)量M、長(zhǎng)度L及時(shí)間T ;其他所有相關(guān)變 量均可由基本量綱表示：力F表示為MLr2、引力系數(shù)y表示為L(zhǎng)3r2、速度V表示為L(zhǎng)r\加 速度a表示為L(zhǎng)T- 2、角速度《表示為T-1、角加速度a表示為r2、沖量I表示為MLT-1、角動(dòng) 量h表示為L(zhǎng) 2T-\轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J表示為ML2、力矩M*表示為ML 2r2; 2. 2)確定=個(gè)基本量綱對(duì)應(yīng)的等效比例因子，再確定其他參數(shù)對(duì)應(yīng)的等效比例因子； =個(gè)基本量綱對(duì)應(yīng)的等效比例因子根據(jù)W下公式得到：
(1) i = 1，2,3,分別代表質(zhì)量M、長(zhǎng)度L、時(shí)間T ; 其他參數(shù)的等效比例因子A i基于W下公式得到：
i = 4, 5, 6,......，分別依次代表力F、引力系數(shù)y、速度V、加速度a、角速度《、角加 速度a、沖量I、角動(dòng)量K轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和力矩r; 步驟=、地面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與規(guī)劃 3. 1)設(shè)定初值，根據(jù)地面系統(tǒng)所能夠提供的實(shí)驗(yàn)空間大小和實(shí)驗(yàn)體尺寸，結(jié)合長(zhǎng)度比 例因子At,利用公式（3)，設(shè)定關(guān)鍵點(diǎn)位置，并將初始時(shí)刻設(shè)定為0 ;
3.2)根據(jù)得到的空間模型變量和比例因子Ai，利用公式（3)可W計(jì)算地面模型中對(duì)

應(yīng)時(shí)刻所需的變量，給出地面實(shí)驗(yàn)任務(wù)中各個(gè)量隨時(shí)間變化的值，并w該些值作為標(biāo)稱狀 態(tài)，就得到了地面實(shí)驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的航天器空間運(yùn)動(dòng)的地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：步 驟一具體為： 根據(jù)給定的絕對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)任務(wù)，在明確軌道原型的基礎(chǔ)上，提取航天器質(zhì)量、尺寸、軌 道周期和軌道根數(shù)；對(duì)于相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)，知道任務(wù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提取航天器質(zhì)量和尺寸、 關(guān)鍵點(diǎn)位置和飛行時(shí)間信息。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了航天器空間運(yùn)動(dòng)的地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：首先將空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)化；然后用量綱分析方法給出空間原型與地面實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用相似性理論，得到各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)在原型與模型間的映射關(guān)系；最后利用映射關(guān)系將空間中的任務(wù)按照完全相似的要求對(duì)應(yīng)到地面微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。本發(fā)明能夠在微重力環(huán)境中對(duì)空間運(yùn)動(dòng)進(jìn)行地面等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，反映空間運(yùn)動(dòng)的實(shí)際效果，解決空間運(yùn)動(dòng)中可能出現(xiàn)的諸多問(wèn)題。
【IPC分類】G06F19-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104598731
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510023744
【發(fā)明人】朱戰(zhàn)霞, 毛正陽(yáng), 袁建平, 方群, 羅建軍
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月16日