本发明涉及模拟试验装置技术领域，具体而言，涉及微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置及试验方法。
背景技术：
小行星上蕴含有丰富的矿产资源，美国、日本、卢森堡等国政府均以立法的形式支持太空采矿。目前，已经有深空工业公司、开普勒能源与空间工程公司和行星资源公司等私人公司提出了太空采矿的意向，并公布了自己的计划或设想。美国国家航空航天局(nasa)宣布，将在2022年前去探访灵神星(16psyche)，灵神星几乎全由金属构成，包括铁、镍、黄金、铂金等，具有巨大的商业开采潜力。我国正规划实施小行星探测任务，目前已利用嫦娥2号月球探测器飞越了4179号小行星toutatis。小行星矿产资源的开采正在迅速地变成工程上可以实现的事实，在可预见的未来，小行星矿产资源的勘探开发将成为利润丰厚的行业。
从1991年起“伽利略”号拍摄到人类历史上首张小行星的特写至今，世界各国已进行多次小行星探索，然而，由于小行星所特有的微重力环境，其逃逸速度仅为cm/s级别，登陆小行星的着陆器很容易与小行星表面岩土体发生碰撞，进而产生回弹初速度，导致其着陆姿态与着陆地点失去控制，回弹初速度甚至可能超过逃逸速度，最终导致着陆器登陆任务失败。欧空局发射的罗塞塔号彗星探测器所释放的“菲莱”着陆器未着陆到预定位置，原因就在于对预定降落点岩土体力学性质尤其碰撞回弹特性估计不足，导致“菲莱”着陆后回弹，再次落地后又发生第二次回弹翻滚，最终降落位置距离预定位置千米有余，导致“菲莱”落入阳光很难照射到的区域，在完成一部分科学任务之后，最终耗尽电量与控制中心失去联系。可见，微重力环境下岩土体碰撞回弹问题是小行星探测着陆器安全着陆的关键科学问题之一，目前尚没有针对微重力环境下的岩土体碰撞回弹特性研究的试验方法和相应的装置可供使用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置，其结构简单，并能有效地进行微重力环境下的岩土体碰撞回弹试验。
本发明的另一目的在于提供一种试验方法，其能有效地进行微重力环境下的岩土体碰撞回弹试验。
本发明提供一种技术方案：
一种微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置，用于着陆器模拟物与岩土体之间的碰撞回弹试验，所述微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置包括支架、移动结构、摆绳、固定器和监测系统。所述移动结构活动连接于所述支架，并能沿第一方向做往复运动，所述移动结构用于可脱离地卡接于所述着陆器模拟物。所述摆绳的一端连接于所述支架，并且所述摆绳位于所述移动结构第一方向上的一侧，所述摆绳的另一端用于连接所述着陆器模拟物。所述固定器连接于所述支架，并且所述固定器位于所述摆绳的下方，所述固定器用于安装所述岩土体。所述监测系统设置于所述摆绳的下方，用于监测所述着陆器模拟物。
进一步地，所述摆绳具有第一端和第二端，所述第一端连接于所述支架，所述第二端用于连接所述着陆器模拟物，所述固定器位于所述第一端的正下方，并且所述第一端与所述固定器的距离等于所述第一端与所述第二端之间的距离。
进一步地，所述微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置还包括速度传感器，所述速度传感器设置于所述移动结构与所述固定器之间，并且所述速度传感器贴靠于所述固定器。
进一步地，所述微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置还包括位移传感器，所述位移传感器设置于所述移动结构和所述固定器之间。
进一步地，所述微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置还包括两个限位件，两个所述限位件分别设置于所述第一端的两侧，并且两个所述限位件共同形成导向滑道，所述摆绳设置于所述导向滑道内部并能沿所述导向滑道摆动。
进一步地，所述移动结构包括移动装置、卡接结构和承载杆。所述移动装置滑动连接于所述支架。所述承载杆的端部连接于所述移动装置。所述卡接结构滑动连接于所述承载杆，并能沿所述承载杆滑动，所述卡接结构用于可脱离地卡接于所述着陆器模拟物。
进一步地，所述承载杆垂直于所述支架的顶部。
进一步地，所述移动装置包括第一移动件和第二移动件，所述第一移动件滑动连接于所述支架顶部，所述第二移动件滑动连接于所述支架底部，所述承载杆的两端分别连接于所述第一移动件和所述第二移动件。
进一步地，所述固定器包括承载件、止挡件和支撑件。所述承载件设置于所述支架底部，并用于承载所述岩土体。所述止挡件连接于所述承载件第一方向上的一侧，并与所述承载件共同围成容置空间，所述容置空间用于容置所述岩土体。所述支撑件的一端连接于所述止挡件远离所述承载件的一侧，另一端连接于所述支架底部。
一种试验方法，应用于微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置，所述微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置包括支架、移动结构、摆绳和固定器。所述移动结构活动连接于所述支架，并能沿第一方向做往复运动，所述移动结构用于可脱离地卡接于所述着陆器模拟物。所述摆绳的一端连接于所述支架，并且所述摆绳位于所述移动结构第一方向上的一侧，所述摆绳的另一端用于连接所述着陆器模拟物。所述固定器连接于所述支架，并且所述固定器位于所述摆绳的下方，所述固定器用于安装所述岩土体。所述监测系统设置于所述摆绳的下方，用于监测所述着陆器模拟物。所述试验方法包括：
将所述着陆器模拟物连接于所述摆绳的自由端，并卡接于所述移动结构。
移动所述移动结构，并在所述着陆器模拟物达到预设高度时脱离所述着陆器模拟物。
记录所述着陆器模拟物撞击所述岩土体的速度以及所述着陆器模拟物回弹的速度与轨迹。
相比现有技术，本发明提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置的有益效果是：
本发明提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置能通过将着陆器模拟物连接于摆绳的端部，并将着陆器模拟物可脱离地卡接于移动结构上，通过移动结构带动着陆器模拟物移动，并在着陆器模拟物的高度达到预设高度时，使得着陆器模拟器脱离移动结构，便能使得着陆器模拟物跟随摆绳自由摆动，能实现着陆器模拟物以一定速度撞击装载于固定器上的岩土体，便实现了微重力环境下的岩土体碰撞回弹试验，本发明提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置结构简单，易于进行微重力环境下的岩土体碰撞回弹试验。
本发明提供的试验方法相对于现有技术的有益效果与上述微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置相对于现有技术的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的第一实施例提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置第一状态的结构示意图；
图2为本发明的第一实施例提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置第二状态的结构示意图；
图3为本发明的第一实施例提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置第一视角的结构示意图；
图4为本发明的第二实施例提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置第二视角的结构示意图；
图5为本发明的第一实施例中微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置局部连接结构示意图；
图6为本发明的第二实施例中提供的试验方法的流程图。
图标：10-微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置；11-着陆器模拟物；12-岩土体；100-支架；110-上支杆；120-支撑杆；200-移动结构；210-移动装置；211-第一移动件；212-第二移动件；220-承载杆；230-卡接结构；240-滑动导轨；300-摆绳；310-第一端；320-第二端；330-限位件；331-导向滑道；400-固定器；410-承载件；420-止挡件；440-支撑件；510-速度传感器；520-位移传感器；530-数据采集仪；540-主机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”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；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
第一实施例
请参阅图1，本实施例中提供了一种微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10，利用钟摆运动中摆动物在竖直情况下处于力平衡状态的特点模拟太空微重力环境，其用于进行微重力环境下的着陆器模拟物11与岩土体12之间碰撞回弹试验。其中，微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10的结构简单，能有效地进行微重力环境下的岩土体12碰撞回弹试验。
请结合参阅图1和图2，微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10包括支架100、移动结构200、摆绳300和固定器400。其中，移动结构200、摆绳300和固定器400均设置于支架100的内部，即，通过支架100向移动结构200、摆绳300和固定器400提供承载，以使得移动结构200、摆绳300和固定器400能稳定地进行工作，保证对于微重力环境下的着陆器模拟物11与岩土体12碰撞回弹试验的有效进行。
在本实施例中，支架100包括上支杆110和两个支撑杆120，两个支撑杆120的端部分别连接于上支杆110的两端，并且两个支撑杆120远离上支杆110的端部用于支撑于地面等承载面，并且同时使得上支杆110平行于地面。其中，上支杆110、两个支撑杆120和地面共同围成梯形，并且两个支撑杆120之间的距离自靠近上支杆110的一端至靠近底面的一端逐渐增大。
移动结构200滑动连接于支架100，并且能相对支架100在第一方向上做往复运动。具体的，在本实施例中，移动结构200滑动连接于上支杆110，并能沿上支杆110滑动，即，其中上支杆110的延伸方向与第一方向共线。另外，移动结构200用于可脱离的卡接于着陆器模拟物11，以使得移动结构200能带动着陆器模拟物11进行移动，并用于在着陆器模拟物11达到预定位置时脱离着陆器模拟物11。
进一步地，移动结构200包括移动装置210、承载杆220和卡接结构230。其中，移动装置210滑动连接于上支杆110，并且移动装置210能沿上支杆110滑动。承载杆220的端部连接于移动装置210，以使得移动装置210在沿第一方向移动时，能同时带动承载杆220沿第一方向移动。并且在本实施例中，承载杆220垂直于支架100的顶部，即，承载杆220垂直于上支杆110。卡接结构230滑动连接于承载杆220，卡接结构230连接于承载杆220沿第一方向上的一侧，并且卡接结构230能沿承载杆220滑动。并且，其中，卡接结构230用于可脱离的卡接于着陆器模拟物11。
其中，当卡接结构230卡接于着陆器模拟物11时，移动装置210沿第一方向上的移动能通过承载杆220带动卡接结构230沿第一方向的移动使得卡接结构230带动着陆器模拟物11在第一方向移动，当着陆器模拟物11达到预定高度时，使着陆器模拟物11脱离卡接结构230，即能实现模拟着陆器模拟物11从预定的高度下降并以一定初速度移动的目的。
进一步地，移动装置210包括第一移动件211和第二移动件212，第一移动件211滑动连接于支架100的顶部，即第一移动件211滑动连接于上支杆110，并且第一移动件211能沿上支杆110滑动。第二移动件212滑动连接于支架100底部，其中，支架100底部指代的是地面或者其他承载体，即第二移动件212滑动连接于地面等承载体。并且，承载杆220的两端分别连接于第一移动件211和第二移动件212，以使得能通过第一移动件211和第二移动件212共同带动承载杆220移动，保证承载杆220移动的稳定性，避免承载杆220发生偏转造成速度的损失。
请结合参阅图1、图3和图4，需要说明的是，在本实施例中，上支杆110和底面均设置有滑动导轨240，并且滑动导轨240的延伸方向与第一方向平行。第一移动件211和第二移动件212均滑动连接于滑动导轨240，以使得第一移动件211和第二移动件212能通过滑动导轨240的导向作用，保证承载杆220能带动卡接结构230以及卡接于卡接结构230的着陆器模拟物11稳定的移动。
摆绳300的一端连接于支架100，并且摆绳300位于移动结构200第一方向上的一侧，摆绳300的另一端用于连接着陆器模拟物11。
即，在本实施例中，摆绳300和卡接结构230同时连接于着陆器模拟物11时，能通过摆绳300将卡接于着陆器模拟物11的卡接结构230拉动至承载杆220的靠近上支架100的一端，当移动装置210沿第一方向移动时，由于着陆器模拟物11的重力，能使得着陆器模拟物11在拉直摆绳300的同时，着陆器模拟器和卡接结构230沿承载杆220向下滑动。相反的，移动结构200能带动着陆器模拟物11沿第一方向的反方向移动，使得着陆器模拟物11沿承载杆220向上滑动，并且当着陆器模拟物11达到预定高度时，使得着陆器模拟物11脱离卡接结构230，即能使得着陆器模拟物11在自身重力的作用下以及摆绳300的作用力下做圆周运动。
进一步地，摆绳300具有第一端310和第二端320，第一端310连接于支架100，第二端320用于连接着陆器模拟物11，以使得当着陆器模拟物11脱离卡接结构230时，着陆器模拟物11能跟随第二端320绕第一端310进行圆周运动。
在本实施例中，微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10还包括速度传感器510，速度传感器510设置于支架100内部，并且速度传感器510设置于底面并位于第一端310的正下方，以使得当摆绳300带动着陆器模拟物11摆动至速度传感器510上方时，能通过速度传感器510检测着陆器模拟物11的速度。
另外，在本实施例中，微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10还包括位移传感器520，位移传感器520同样设置于支架100内部，以通过位移传感器520检测着陆器模拟物11的位置。
进一步地，在本实施例中，微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10还包括两个限位件330，两个限位件330分别设置于摆绳300的第一端310的两侧，并且两个限位件330共同形成导向滑道331，摆绳300则设置于导向滑道331内部，以使得摆绳300能沿导向滑道331摆动。其中，导向滑道331所在平面与摆绳300的摆动平面共面，以使得摆绳300能沿导向滑道331摆动，避免摆绳300出现偏移的情况，能保证微重力环境下的着陆器模拟物11与岩土体12碰撞回弹试验的稳定进行。在本实施例中，两个限位件330均为弧形板，两个弧形板均连接于上支架100。
固定器400设置于支架100内部，并且固定器400设置于支架100底部，即，固定器400设置于地面。其中，固定器400用于安装岩土体12。并且，固定器400位于摆绳300的下方，具体的，固定器400位于第一端310的正下方，并且速度传感器510贴靠于固定器400，以使得当摆绳300带动着陆器模拟物11摆动至速度传感器510上方的同时，着陆器模拟物11能碰撞固定器400上的岩土体12，并随后产生回弹，即能通过速度传感器510检测着陆器模拟物11碰撞岩土体12时的速度，并且能同时检测着陆器模拟物11回弹的速度。
其中，固定器400位于第一端310的正下方指代的是，当岩土体12安装于固定器400时，摆绳300的第一端310位于岩土体12靠近速度传感器510的侧面所在平面，以使得着陆器模拟器能垂直于岩土体12撞击岩土体12，能避免着陆器模拟物11的自身重力对撞击造成的影响。
并且，其中第一端310与第二端320之间的距离等于第一端310与固定器400之间的距离，以使得着陆器模拟物11在自由摆动至固定器400处时，能与安装于固定器400上的岩土体12正碰。其中，第一端310与固定器400之间的距离指代的是，第一端310与固定器400中部之间的距离，即当着陆器模拟物11连接于第二端320时，能跟随摆绳300摆动撞击安装于固定器400的岩土体12的中部。
需要说明的是，在本实施例中，速度传感器510和位移传感器520均设置于固定器400和移动结构200之间，以便于速度传感器510检测着陆器模拟物11的速度，并且便于位移传感器520检测着陆器模拟物11的位置。并且其中，位移传感器520位于速度传感器510和移动结构200之间。
进一步地，固定器400包括承载件410、止挡件420和支撑件440，承载件410设置于支架100底部，即承载件410设置于地面，并且承载件410用于承载岩土体12。止挡件420连接于承载件410第一方向上的一侧，即止挡件420连接于承载件410远离移动结构200的一侧，并且承载件410与止挡件420共同形成容置空间(图未标)，以通过容置空间容置岩土体12。即，当着陆器模拟物11撞击岩土体12时向岩土体12提供止挡作用，避免岩土体12脱离承载件410。支撑件440的一端连接于止挡件420远离承载件410的一侧，另一端连接于支架100底部，即支撑件440的另一端抵持于地面，能向止挡件420提供支撑作用，使得止挡件420能稳定地向岩土体12提供止挡作用，并且能通过支撑件440提高固定器400的稳定性，避免着陆器模拟物11对岩土体12的撞击损坏固定器400。
需要说明的是，在本实施例中，移动结构200沿第一方向移动指代的是，移动结构200移动并靠近固定器400，即移动结构200朝向固定器400移动的方向。
另外，请参阅图5，在本实施例中，微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10还包括监测系统(图未标)，监测系统包括数据采集仪530和主机540。其中，速度传感器510和位移传感器520均与数据采集仪530电连接，以使得速度传感器510能将检测到的着陆器模拟物11撞击岩土体12的速度的值和着陆器模拟物11回弹的速度的值发送至数据采集仪530，通过数据采集仪530发送至主机540，即能通过主机540进行微重力环境下岩土体12碰撞回弹特性分析。
本实施例中提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10能通过将着陆器模拟物11连接于摆绳300的端部，并将着陆器模拟物11可脱离地卡接于移动结构200上，通过移动结构200带动着陆器模拟物11移动，并在着陆器模拟物11的高度达到预设高度时，使得着陆器模拟器脱离移动结构200，便能使得着陆器模拟物11跟随摆绳300自由摆动，能实现着陆器模拟物11以一定速度撞击装载于固定器400上的岩土体12，便实现了微重力环境下的岩土体12碰撞回弹试验。并且微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10结构简单，易于进行微重力环境下的岩土体12碰撞回弹试验。
第二实施例
请参阅图6，本实施例中提供了一种试验方法，其应用于第一实施例中提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10。其能有效地进行微重力环境下的岩土体12碰撞回弹试验。
其中，试验方法包括：
s101、将着陆器模拟物11连接于摆绳300的自由端，并卡接于移动结构200。
其中，摆绳300的自由端指代的是，相对于摆绳300连接于支架100的端部的另一个端部，即摆绳300的第二端320。并且，卡接于移动结构200指定的是，将着陆器模拟物11可脱离的卡接于卡接结构230。
s102、移动移动结构200，并在着陆器模拟物11达到预定高度时脱离着陆器模拟物11。
具体的，将移动结构200沿第一方向的反方向移动，并且，在移动结构200带动着陆器模拟物11达到预定高度时，使着陆器模拟物11脱离卡接结构230。此时，着陆器模拟物11则能通过自身重力作用以及摆绳300的作用做圆周运动。
s103、记录着陆器模拟物11撞击岩土体12的速度以及着陆器模拟物11回弹的速度与轨迹。
即，在本实施例中，当着陆器模拟物11脱离卡接结构230时，能在摆绳300的带动下撞击岩土体12，在撞击岩土体12之后产生回弹，即能完成着陆器模拟物11撞击岩土体12的试验。
通过速度传感器510检测着陆器模拟物11撞击岩土体12的速度以及着陆器模拟物11回弹的速度与轨迹，并发送至数据采集仪530。数据采集仪530在接收到着陆器模拟物11撞击岩土体12的速度的值、着陆器模拟物11回弹的速度的值以及着陆器模拟物11的轨迹数据之后，将其发送至主机540，便能通过主机540进行微重力环境下岩土体12碰撞回弹特性分析。
第三实施例
本实施例中提供了一种试验装置，其采用了第一实施例中提供的微重力环境下岩土体碰撞回弹试验装置10。其结构简单，并能有效地进行微重力环境下的岩土体12碰撞回弹试验。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。