航天器空間運動的地面等效實驗設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及地面微重力實驗方法與技術領域，特別涉及一種航天器空間運動的地 面等效實驗設計方法。
【背景技術】
[0002] 航天器地面實驗是航天領域的又一新興的研宄熱點。航天器地面實驗能夠直觀的 展現航天任務的完成過程，因此它受到各個國家越來越多的關注和重視。
[0003] 文獻王奇，陳金明.美國的中性浮力模擬器及其應用[J].航天器環境工程， 2003(9) :53-59,及文獻馬愛軍，盧來潔，張磊等.美國的中性浮力設備及其應用[J].載人 航天，2012(7) :19-25對國外微重力系統及功能進行了分析，約翰遜航天中心、馬歇爾宇航 中心以及馬里蘭大學等一批研宄機構利用各自的地面實驗設施做了大量的研宄，但是其主 要集中于材料、結構、機構以及航天員訓練等方面。
[0004] 文獻何兆偉，師鵬，葛冰等.航天器地面實驗的相似性分析方法[J].北京航空航 天大學學報，2012, 38 (4) : 502 - 508,及文獻齊或，師鵬，趙育善.三體問題地面實驗的相似 性分析[J].宇航學報，2013(10) :1410-1416僅僅對二體問題和三體問題建立了地面實驗 的相似性分析方法，但沒有進行普適性的地面等效實驗任務設計。
【發明內容】
[0005] 為解決現有技術存在的受到實驗設備尺寸等因素的影響，地面無法對空間大范圍 運動、大型機構的操作等進行全尺寸有效模擬的問題，本發明提供了一種航天器空間運動 的地面等效實驗設計方法，本發明給出了可以適用于空間運動的地面等效實驗任務的普適 性設計方法。
[0006] 為實現上述目的，本發明采取如下技術解決方案：
[0007] 航天器空間運動的地面等效實驗設計方法，包括以下步驟：首先將空間運動參數 化；然后用量綱分析方法給出空間原型與地面實驗模型，利用相似性理論，得到各個運動參 數在原型與模型間的映射關系；最后利用映射關系將空間中的任務按照完全相似的要求對 應到地面微重力實驗環境中。
[0008] 作為本發明的進一步改進，所述設計方法具體包括以下步驟：
[0009] 步驟一、空間任務的參數化
[0010] 根據給定的絕對軌道運動任務和相對軌道運動，提取對應航天器的參數信息；利 用動力學公式計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μ、速度V、 加速度a、角速度ω、角加速度α、沖量I、角動量h、轉動慣量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，建立等效關系；
[0013] 對于空間原型運動來說，引入三個基本量綱：質量M、長度L及時間T ;其他所有 相關變量均可由基本量綱表示：力F表示為MLT'引力系數μ表示為L3T'速度V表示為 LT'加速度a表示為LT'角速度ω表示為Γ1、角加速度α表示為Γ2、沖量I表示為MLT' 角動量h表示為L 2T'轉動慣量J表示為ML2、力矩if表示為ML 2Γ2;
[0014] 2. 2)確定三個基本量綱對應的等效比例因子，再確定其他參數對應的等效比例因 子；三個基本量綱對應的等效比例因子根據以下公式得到：
【主權項】
1. 航天器空間運動的地面等效實驗設計方法，其特征在于：包括w下步驟：首先將空 間運動參數化；然后用量綱分析方法給出空間原型與地面實驗模型，利用相似性理論，得到 各個運動參數在原型與模型間的映射關系；最后利用映射關系將空間中的任務按照完全相 似的要求對應到地面微重力實驗環境中。
2. 根據權利要求1所述的航天器空間運動的地面等效實驗設計方法，其特征在于：具 體包括W下步驟： 步驟一、空間任務的參數化 根據給定的絕對軌道運動任務和相對軌道運動，提取對應航天器的參數信息；利用動 力學公式計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y、速度V、加速 度a、角速度《、角加速度a、沖量I、角動量K轉動慣量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，建立等效關系； 對于空間原型運動來說，引入S個基本量綱；質量M、長度L及時間T ;其他所有相關變 量均可由基本量綱表示：力F表示為MLr2、引力系數y表示為L3r2、速度V表示為Lr\加 速度a表示為LT- 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 量h表示為L 2T-\轉動慣量J表示為ML2、力矩M*表示為ML 2r2; 2. 2)確定=個基本量綱對應的等效比例因子，再確定其他參數對應的等效比例因子； =個基本量綱對應的等效比例因子根據W下公式得到：
(1) i = 1，2,3,分別代表質量M、長度L、時間T ; 其他參數的等效比例因子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y、速度V、加速度a、角速度《、角加 速度a、沖量I、角動量K轉動慣量J和力矩r; 步驟=、地面實驗設計與規劃 3. 1)設定初值，根據地面系統所能夠提供的實驗空間大小和實驗體尺寸，結合長度比 例因子At,利用公式（3)，設定關鍵點位置，并將初始時刻設定為0 ;
3.2)根據得到的空間模型變量和比例因子Ai，利用公式（3)可W計算地面模型中對
應時刻所需的變量，給出地面實驗任務中各個量隨時間變化的值，并w該些值作為標稱狀 態，就得到了地面實驗任務規劃結果。
3.根據權利要求2所述的航天器空間運動的地面等效實驗設計方法，其特征在于：步 驟一具體為： 根據給定的絕對軌道運動任務，在明確軌道原型的基礎上，提取航天器質量、尺寸、軌 道周期和軌道根數；對于相對軌道運動，知道任務內容的基礎上，提取航天器質量和尺寸、 關鍵點位置和飛行時間信息。
【專利摘要】本發明公開了航天器空間運動的地面等效實驗設計方法，包括以下步驟：首先將空間運動參數化；然后用量綱分析方法給出空間原型與地面實驗模型，利用相似性理論，得到各個運動參數在原型與模型間的映射關系；最后利用映射關系將空間中的任務按照完全相似的要求對應到地面微重力實驗環境中。本發明能夠在微重力環境中對空間運動進行地面等效實驗設計，反映空間運動的實際效果，解決空間運動中可能出現的諸多問題。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104598731
【申請號】CN201510023744
【發明人】朱戰霞, 毛正陽, 袁建平, 方群, 羅建軍
【申請人】西北工業大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月16日