基于电磁学原理的火星引力模拟系统的制作方法

本发明涉及电磁学领域，具体是一种在地面上模拟火星捕获及探测器与环绕器分离过程中在轨运动时所受到的引力的基于电磁学原理的火星引力模拟系统。

背景技术：

火星探测器的飞行距离远，测控通讯延时大，而且捕获制动的机会只有一次，一旦捕获制动失败，探测器要么飞出火星影响，成为环绕太阳的行星探测器，要么撞击火星，探测器的捕获制动控制效果决定了是否能成功捕获火星，因此进行火星捕获的地面仿真试验具有重要意义。

探测器在捕获火星过程可分为两个阶段：第一阶段：探测器在大推力发动机和火星引力的共同作用下变轨，到达预定分离点后，环绕器与着陆器分离，着陆器在火星引力作用下在火星表面着陆，环绕器在发动机推力和火星引力共同作用下升轨，返回环绕轨道。在地面上进行全物理仿真实验时，使用火星引力模拟系统用来模拟捕获火星及器器分离过程中，火星引力对探测器的作用力，对探测器轨道控制和姿态控制具有重要作用。

现有技术根据永磁体间同性相斥，异性相吸原理设计的火星引力模拟系统，只能根据理论值估计永磁体空间磁场，实际值与理论值会有很大的误差，系统的精度较低，而且永磁体与模拟器的铁磁性材料之间的吸引力不可忽略，会对系统产生额外的影响。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明提出了一种本发明目的是提出一种装置简单、原理简单、操作方便、精度较高的火星引力模拟系统。

本发明的技术方案是：一种基于电磁学原理的火星引力模拟系统，包括引力施加装置、运动辅助机构及视觉测量装置，所述的引力施加装置包括磁钢、线圈及导磁结构架，所述的运动辅助机构包括床身、直线运动导轨、齿轮与齿条、横梁、气足、电机及驱动器及高精度滑车，所述的视觉测量装置包括四个工业摄像机、红外LED发光管；

进一步的，所述的引力施加装置中，导磁结构架安装在运动模拟器侧面，马蹄形磁钢安装在导磁结构架内部，线圈通过可旋转电机及减速机构安装在高精度滑车上；

进一步的，所述的运动辅助机构包括大理石平台，大理石平台两侧对称位置设置有床身，床身上安装有直线运动导轨，直线运动导轨设置有横梁，电机及驱动器分别安装在横梁及直线运动导轨上，横梁还设置有可自由运动的高精度滑车；

进一步的，横梁末端一侧安装有气足；

进一步的，所述的视觉测量装置包括四个安装在大理石平台上方支架上的工业摄像机，红外LED发光管安装在运动模拟器及高精度滑车上。

本发明的有益效果是：通过采用本发明的技术方案，能模拟火星探测器在捕获火星及器器分离过程中受到的火星引力作用，大小方向均可变，并且具有装置简单，成本低的优点。

附图说明

图1为本发明火星引力模拟系统示意图。

图2为本发明火星引力施加装置及运动模拟器结构示意图。

图3为本发明辅助结构的局部放大示意图。

图4a、4b、4c为线圈与磁场位置关系图。

图5a、5b、5c为线圈所受到的合力F及反作用力示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1-3所示的一种基于电磁学原理的火星引力模拟系统，包括引力施加装置、运动辅助机构及视觉测量装置，所述的引力施加装置包括磁钢12、线圈11及导磁结构架10，所述的运动辅助机构包括床身、直线运动导轨1、齿轮与齿条8、横梁2、气足9、电机及驱动器4及高精度滑车7，所述的视觉测量装置包括四个工业摄像机14、红外LED发光管13，整个系统是个伺服系统，高精度滑车7上安装的电机及减速机6带动引力施加装置的线圈11部分转动，横梁2和高精度滑车7在伺服控制系统的控制作用下带动线圈11与运动模拟器3上安装的磁钢12保持相同的运动状态，运动辅助装置保证了火星引力施力装置做二自由度平面运动及单自由度的转动，在系统的控制作用下，模拟火星引力方向的变化；根据通电线圈在磁场中，受到力的作用，通过控制线圈中电流的大小来模拟火星引力的大小；

作为本发明的一个实施例，所述的引力施加装置中，导磁结构架10安装在运动模拟器3侧面，马蹄形磁钢12安装在导磁结构架10内部，导磁构架起到屏蔽外部磁场的作用，线圈11通过可旋转电机及减速机构6安装在高精度滑车7上；

作为本发明的一个实施例，所述的运动辅助机构包括大理石平台16，大理石平台16两侧对称位置设置有床身，床身上安装有直线运动导轨1，直线运动导轨1设置有横梁2，电机及驱动器4分别安装在横梁2及直线运动导轨1上，横梁2还设置有可自由运动的高精度滑车7；高精度滑车7上通过安装电机及减速机构带动通电线圈做单自由度转动，高精度滑车7可在横梁上2自由运动，横梁2安装在直线运动导轨1上。因为横梁2具有一定的长度及重量所以横梁2末端安装气足9，防止横梁2末端发生变形，高压气体经过气足9的节流小孔流入气足下端面与气浮平台间的间隙，形成一层气膜从而产生向上的作用力，防止横梁2末端因重力作用变形，向下弯曲；

作为本发明的一个实施例，横梁末端一侧安装有气足9；

作为本发明的一个实施例，所述的视觉测量装置包括四个安装在大理石平台16上方支架15上的工业摄像机16，红外LED发光管13安装在运动模拟器3及高精度滑车上；

作为本发明的一个实施例，引力施加装置的工作过程，马蹄形磁钢12安装时N极在上，S极在下，给线圈按照如图4a、4b、4c方向通电，根据安培定理，线圈在蹄形永磁铁中会受到力的作用；

当匝数为N的通电线圈与磁感应强度相垂直时，通电线圈在磁场中受到的力F满足如下公式：

F＝NBIL

其中B为磁场的磁感应强度；I为检测导线中的电流强度；L为检测导线的有效长度；N为线圈匝数；F为检测导线在磁场中受到的安培力。根据牛顿第三定律，相互作用的两物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一直线上。因此磁场所受到的反作用力为：

F′＝F

通过控制导线中电流的大小就可以控制其受到的安培力的大小，再利用牛顿第三定律，线圈所受到的安培力的反作用力可以模拟火星引力的大小；

通过控制线圈在磁场中的不同位置可以改变线圈受到的力的方向不同，其反作用力即线圈对磁场的作用力方向也不同，来模拟火星引力方向的变化；

当线圈与磁场的位置关系如图4a所示时，线圈的b、c两边进入磁场的长度，线圈中的电流、所在磁场的强度大小均相等，但是电流的方向相反，所以b、c两边受到的安培力F₂、F₃大小相等方向相反，相抵消，整个线圈受到的合力F及反作用力(模拟的火星引力)F′如图5a、所示，其中：

F＝F₁

F＝-F，

当线圈与磁场的位置关系如图4b所示时，a、d两边在磁场外，所受到的安培力为0，b、c两边受到安培力F₁、F₂，线圈所受到的合力F及反作用力(模拟的火星引力)F′如图5b所示，其中：

F′＝-F

F＝F₁+F₂，

F²＝F₁²+F₂²

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\left|F_2\right|}{\left|F_1\right|}\right)\left(\frac{\left|F_2\right|}{\left|F_1\right|}\right)$

因为线圈所在磁场大小相等，线圈中电流大小相等，因此可以通过改变b、c边在磁场中的长度来改变b、c两边受到安培力F₁、F₂的大小，从而改变角度θ，即改变模拟火星引力的方向；

当线圈与磁场的位置关系如图4c所示时，a、b两边在磁场外，所受到的安培力为0，c、d两边受到安培力F₁、F₃，线圈所受到的合力F及反作用力(模拟的火星引力)F′如图5b所示，其中：

F＝F₁+F₃，

F²＝F₁²+F₃²

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left(\frac{\left|F_3\right|}{\left|F_1\right|}\right)$

同理，因为线圈所在磁场大小相等，线圈中电流大小相等，因此可以通过改变c、d边在磁场中的长度来改变c、d两边受到安培力F₁、F₃的大小，从而改变角度α，即改变模拟火星引力的方向。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。