一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统的制作方法

1.本发明属于模拟着陆领域，尤其是涉及一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统。


背景技术：

2.深空探测器与地球轨道航天器在考虑环境适应性和环境试验方面有许多相同之处，但也有不同之处，特别是环绕及着陆探测任务中的空间环境、进入环境、着陆环境及天体表面环境的特殊性，需要解决地面环境模拟试验的一系列具体的技术难题，同时需要建造和完善相关的环境试验设施。环境试验验证工作贯穿于整个型号的研制过程中，不同的研制阶段需要进行不同的环境试验来达到不同的试验目的。
3.在综合考虑效益、进度、可行性的前提下，需尽可能地在地面针对特殊环境进行探测器的验证。对于深空探测器着陆器，与地球最大的差异是重力加速度的影响，月球重力加速度是地球的六分之一，因此月球着陆的探测器不能在地球重力下直接进行试验验证，需要搭建一套月球低重力的模拟环境，等效模拟月球低重力来验证月球着陆器的着陆性能。
4.以往月球低重力模拟着陆多采用悬挂的方法，较多验证的着陆器的硬着陆性能，通过判断铝蜂窝压溃情况反映冲击能量，功能性验证居多，较难把控边界条件。对于主动控制的着陆腿进行着陆缓冲，在高动态下的着陆过程，悬挂法往往难以有效跟随，而且对着陆缓冲过程带来额外的影响，因此需研制模拟月球低重力着陆的试验系统满足着陆腿的地面着陆缓冲试验。
5.目前没有关于模拟月球低重力着陆的试验系统的专利。专利cn103662109b介绍了一种模拟月面微重力装置，用于辅助月球车上太阳电池翼、桅杆、机械臂展开测试的装置。包括移动机构、结构框架、随动机构、吊挂机构、配重机构，以上机构共同组合成一个低重力模拟装置。适用于机构展开类地地面验证试验，不能模拟月球低重力下的着陆试验。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在提出一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，以实现不同速度组合下、不同地形的模拟器着陆试验，真实等效模拟月球重力加速度，实现探测器模拟器以不同的垂直速度和水平速度进行着陆，着陆的地形可进行坡面、凹坑、凸台等工况的设置。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
8.一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：包括综控子系统、倾斜平台子系统、起速子系统、防护子系统、测量子系统、模拟器和模拟着陆面子系统，
9.所述综控子系统、倾斜平台子系统、防护子系统和模拟着陆面子系统安装至地面上，所述防护子系统的顶部上安装测量子系统，防护子系统的中部安装起速子系统，所述起速子系统的起速拉杆通过电磁铁与模拟器的电磁铁连接件连接，实现起速子系统与模拟器之间的配合；
10.所述模拟器的着陆腿组件作用于倾斜平台子系统；所述模拟器的平面气垫作用于倾斜平台子系统。
11.进一步的，所述起速子系统包括直线模组、模组转接件、起速拉杆和电磁铁，所述直线模组固定安装至防护子系统的桁架上，起速拉杆一端通过模组转接件连接至直线模组的移动端上，起速拉杆的另一端安装电磁铁。
12.进一步的，所述模拟着陆面子系统包括模拟着陆面和着陆面支撑架，所述着陆面支撑架能够实现对模拟着陆面位置的调整。
13.进一步的，所述倾斜平台子系统包括模拟倾斜平台和能够对模拟倾斜平台的倾斜角度进行调整的平台支撑架。
14.进一步的，所述模拟器包括着陆腿组件、框架、imu、气浮球轴承、连接立柱组成的姿控平台和平动平台，
15.所述框架上均匀设置4个着陆腿组件，所述框架的中部设有气浮球轴承，气浮球轴承的上部设有imu，气浮球轴承的下部通过连接立柱与平动平台连接；
16.所述框架上还设有控制组件，着陆腿组件、imu连接至控制组件。
17.进一步的，所述着陆腿件包括着陆腿本体、接口转接件和六维力传感器，所述着陆腿本体依次通过接口转接件、六维力传感器连接至框架。
18.进一步的，所述气浮球轴承上还设有高速相机标靶。
19.进一步的，所述模拟倾斜平台与水平面的夹角为9.59
°
，所述模拟着落面与垂直面的夹角也为9.59
°
；所述模拟倾斜平台与模拟着陆面的夹角为90
°
。
20.进一步的，所述平动平台包括恒力机构、底座和平面气垫，所述连接立柱与恒力机构连接，恒力机构底部设有底座，底座上设有若干平面气垫；所述连接立柱上设有电磁铁连接件。
21.一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统的使用方法，包括以下步骤：
22.s1、调整倾斜平台子系统和模拟着陆面子系统；
23.s2、吊装模拟器；
24.s3、调整模拟着陆面的状态；
25.s4、模拟只有垂直速度下落状态；
26.s5、模拟既有水平速度又有垂直速度状态；
27.s6、数据采集。
28.相对于现有技术，本发明所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统具有以下优势：
29.(1)本发明所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，采用探测器模拟器在倾斜平面上近似无摩擦下滑的运动方式，通过调节倾向平面的倾斜角度保证沿斜面下滑的加速度与月面着陆的加速度保持一致，从而实现模拟月面着陆的状态。
30.(2)本发明所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，保证在其作用下探测器模拟器可在一定的水平速度下实现着陆模拟，从而复现真实在轨复合运动的工况，模拟着陆更加准确、真实。
31.(3)本发明所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，可等效真实探测器的质量和惯量，六个自由度完全释放，着陆产生的效果与真实在轨着陆一致性强；
32.(4)本发明所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，采用气浮球轴承、恒力机构以及平面气垫释放6个方向自由度，其摩擦损失很小，可较为真实模拟着陆瞬间在轨姿态变化。
附图说明
33.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：
34.图1为本发明实施例所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统正视图；
35.图2为本发明实施例所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统俯视图；
36.图3为本发明实施例所述的模拟器模拟试验原理示意图；
37.图4为本发明实施例所述的模拟器正视图；
38.图5为本发明实施例所述的模拟器侧视图。
39.附图标记说明：
40.1、综控子系统；2、倾斜平台子系统；3、起速子系统；31、直线模组；32、模组转接件；33、起速拉杆；34、电磁铁；4、防护子系统；5、测量子系统；6、模拟器；61、着陆腿；62、接口转接件；63、六维力传感器；64、框架；65、imu；66、高速相机靶标；67、控制器组件；68、气浮球轴承；69、连接立柱；610、电磁铁连接件；611、恒力机构；612、底座；613、平面气垫；614、保护支撑；615、配重；7、模拟着陆面子系统。
具体实施方式
41.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。
42.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。
43.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。
44.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
45.一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，如图1-图5所示，包括综控子系统1、倾斜平台子系统2、起速子系统3、防护子系统4、测量子系统5、模拟器6和模拟着陆面子系统7，
46.所述综控子系统1、倾斜平台子系统2、防护子系统4和模拟着陆面子系统7安装至
地面上，所述防护子系统4的顶部上安装测量子系统5，防护子系统4的中部安装起速子系统3，所述起速子系统3的起速拉杆33通过电磁铁34与模拟器6的电磁铁连接件610连接，实现起速子系统3与模拟器6之间的配合；
47.所述模拟器6的的着陆腿61组件作用于倾斜平台子系统2；所述模拟器6的平面气垫613作用于倾斜平台子系统2。
48.优选的，所述起速子系统3包括直线模组31、模组转接件32、起速拉杆33和电磁铁34，所述直线模组31固定安装至防护子系统4的桁架上，起速拉杆33一端通过模组转接件32连接至直线模组31的移动端上，起速拉杆33的另一端安装电磁铁34。垂直速度通过在倾斜平面上自由滑动实现，水平速度则通过水平起速系统实现，通过模组拉杆带动模拟器6运动，达到一定速度后电磁铁34释放提供水平速度。
49.优选的，所述模拟着陆面子系统7包括模拟着陆面和着陆面支撑架，所述着陆面支撑架能够实现对模拟着陆面位置的调整；所述模拟着陆面子系统7主要由俯仰调节机构、偏航调节机构、滑动调节机构、着陆模拟块、底座612、蒙皮等组成，模拟着陆面为探测器模拟器6着陆腿61提供着陆面的环境，且通过着陆面的调节机构可实现坡面不同角度连续可调，模拟组合出不同角度及不同高度、凹坑、凸台等多种地形。
50.优选的，所述倾斜平台子系统2包括模拟倾斜平台和能够对模拟倾斜平台的倾斜角度进行调整的平台支撑架。
51.优选的，所述模拟器6包括着陆腿61组件、框架64、imu65、气浮球轴承68、连接立柱69组成的姿控平台和平动平台，
52.所述框架64上均匀设置4个着陆腿61组件，所述框架64的中部设有气浮球轴承68，气浮球轴承68的上部设有imu65，气浮球轴承68的下部通过连接立柱69与平动平台连接；
53.所述框架64上还设有控制组件，着陆腿61组件、imu65连接至控制组件。
54.优选的，所述着陆腿61件包括着陆腿61本体、接口转接件62和六维力传感器63，所述着陆腿61本体依次通过接口转接件62、六维力传感器63连接至框架64。
55.优选的，所述气浮球轴承68上还设有高速相机标靶。
56.优选的，所述模拟倾斜平台与水平面的夹角为9.59
°
，所述模拟着落面与垂直面的夹角也为9.59
°
；所述模拟倾斜平台与模拟着陆面的夹角为90
°
57.优选的，所述平动平台包括恒力机构611、底座612和平面气垫613，所述连接立柱69与恒力机构611连接，恒力机构611底部设有底座612，底座612上设有若干平面气垫613；所述连接立柱69上设有电磁铁连接件610。
58.一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统的使用方法，包括以下步骤：
59.s1、调整倾斜平台子系统2和模拟着陆面子系统7，先进行系统总装，然后对起速子系统3的桁架、模拟着陆面、模拟倾斜平台用激光跟踪仪进行精测，先确定倾斜平台的摆放位置，调整倾斜平台倾斜角度为9.59
°
，按照倾斜平台作为基准，对起速子系统3和模拟着陆面进行调整，使起速系统的直线模板的长边与倾斜平台的长边平行，模拟着陆面与倾斜平台的平面垂直；
60.s2、吊装模拟器6；向模拟器6中气浮球轴承68、平面气垫613供气，模拟器6吊装至在倾斜平台上，由于在倾斜平台上，模拟器6整体沿倾斜平台下滑，起速子系统3中电磁铁34通电吸住模拟器6，使模拟器6静止在倾斜平台上；
61.s3、调整模拟着陆面的状态；根据试验验证工况，判断模拟着陆面的状态，调整模拟着陆面的俯仰及偏航角度，设计着陆块的凹坑及凸台设置；
62.s4、模拟只有垂直速度下落状态；若只有垂直下落时，对模拟着陆面进行调整，调整着陆腿61距着陆面的距离，此距离为模拟器6在1/6g的重力加速度达到某设定速度对应的直线距离，电磁铁34释放，着陆腿61着陆时为设定垂直速度着陆；重力加速度为1/6g，即为月球的重力加速度。探测器模拟器6通过平面气垫613在平台上运动，提供了探测器模拟器6着陆过程中所受1/6的重力；
63.s5、模拟既有水平速度又有垂直速度状态；若既有水平速度又有垂直速度时，调节模拟着陆面的距离后，起速子系统3的直线模组31带动模拟器6到达起速起始位置，然后直线模组31带动模拟器6加速，当达到某设定的水平速度时，电磁铁34自动释放，此时模拟器6在倾斜平台上做抛物线运动，着陆时刻既有水平速度又有垂直速度；
64.s6、数据采集；试验工况设置调整完毕后，打开测量系统中的高速相机、imu65、六维力传感器63进行数据采集，试验开始指令下发，采集试验数据。
65.s7、着陆试验结束后，分析处理高速相机、imu65、六维力传感器63等数据，然后将模拟器6通过绞盘拉起，起速子系统3中电磁铁34通电吸住模拟器6的电磁铁连接件610，重复试验。
66.本系统采用探测器模拟器6在倾斜平面上近似无摩擦下滑的运动方式，通过调节倾向平面的倾斜角度保证沿斜面下滑的加速度与月面着陆的加速度保持一致，从而实现模拟月面着陆的状态。
67.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。

技术特征：
1.一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：包括综控子系统、倾斜平台子系统、起速子系统、防护子系统、测量子系统、模拟器和模拟着陆面子系统，所述综控子系统、倾斜平台子系统、防护子系统和模拟着陆面子系统安装至地面上，所述防护子系统的顶部上安装测量子系统，防护子系统的中部安装起速子系统，所述起速子系统的起速拉杆通过电磁铁与模拟器的电磁铁连接件连接，实现起速子系统与模拟器之间的配合；所述模拟器的的着陆腿组件作用于倾斜平台子系统；所述模拟器的平面气垫作用于倾斜平台子系统。2.根据权利要求1所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述起速子系统包括直线模组、模组转接件、起速拉杆和电磁铁，所述直线模组固定安装至防护子系统的桁架上，起速拉杆一端通过模组转接件连接至直线模组的移动端上，起速拉杆的另一端安装电磁铁。3.根据权利要求1所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述模拟着陆面子系统包括模拟着陆面和着陆面支撑架，所述着陆面支撑架能够实现对模拟着陆面位置的调整。4.根据权利要求1所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述倾斜平台子系统包括模拟倾斜平台和能够对模拟倾斜平台的倾斜角度进行调整的平台支撑架。5.根据权利要求1所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述模拟器包括由着陆腿组件、框架、imu、气浮球轴承、连接立柱组成的姿控平台和平动平台，所述框架上均匀设置4个着陆腿组件，所述框架的中部设有气浮球轴承，气浮球轴承的上部设有imu，气浮球的下部通过连接立柱与平动平台连接；所述框架上还设有控制组件，着陆腿组件、imu连接至控制组件。6.根据权利要求5所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述着陆腿件包括着陆腿本体、接口转接件和六维力传感器，所述着陆腿本体依次通过接口转接件、六维力传感器连接至框架。7.根据权利要求5所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述气浮球轴承上还设有高速相机标靶。8.根据权利要求5所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述模拟倾斜平台与水平面的夹角为9.59
°
，所述模拟着落面与垂直面的夹角也为9.59
°
；所述模拟倾斜平台与模拟着陆面的夹角为90
°
。9.根据权利要求5所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，其特征在于：所述平动平台包括恒力机构、底座和平面气垫，所述连接立柱与恒力机构连接，恒力机构底部设有底座，底座上设有若干平面气垫；所述连接立柱上设有电磁铁连接件。10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、调整倾斜平台子系统和模拟着陆面子系统；s2、吊装模拟器；s3、调整模拟着陆面的状态；
s4、模拟只有垂直速度下落状态；s5、模拟既有水平速度又有垂直速度状态；s6、数据采集。

技术总结
本发明提供了一种用于模拟月球低重力着陆的试验系统，包括综控子系统、倾斜平台子系统、起速子系统、防护子系统、测量子系统、模拟器和模拟着陆面子系统，所述综控子系统、倾斜平台子系统、防护子系统和模拟着陆面子系统安装至地面上，所述防护子系统的顶部上安装测量子系统，防护子系统的中部安装起速子系统，所述起速子系统的起速拉杆通过电磁铁与模拟器的电磁铁连接件连接，实现起速子系统与模拟器之间的配合；所述模拟器的的着陆腿组件作用于倾斜平台子系统；所述模拟器的平面气垫作用于倾斜平台子系统。本发明以实现不同速度组合下、不同地形的模拟器着陆试验。不同地形的模拟器着陆试验。不同地形的模拟器着陆试验。


技术研发人员：刘海腾 陈磊 侯玮杰 危清清 李鹏 李广彦
受保护的技术使用者：天津航天机电设备研究所
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/8/1