火星引力地面模拟装置及其模拟方法与流程

本发明涉及电磁学领域，具体是一种火星探测器地面半实物仿真试验用的基于电磁学原理的火星引力模拟装置及其模拟方法。

背景技术：

与其他行星相比，火星是与地球最为相似，也是最有可能在其上发现地球以外生命现象的一颗行星，近年来有的国家已经发射火星探测器，并启动火星探测研究计划，火星探测的重要任务就是探测火星表面、水和生命。火星探测器发射之前需要进行一系列地面仿真试验，火星探测器进入火星引力场之后，进入一个围绕火星旋转的大椭圆轨道，要进行火星表面探测则探测器需要完成火星捕获制动，制动机会只有一次，探测器在大推力及火星引力作用下，变轨制动进入着陆轨道，之后环绕器姿态机动由降轨姿态调整至分离姿态，环绕器与着陆器分离后，环绕器姿态机动至升轨姿态择机进行升轨机动。整个器器分离阶段探测器的姿态机动和轨道机动比较频繁，同时还需要保证着陆器进入火星大气时的进入角、器器分离后两器之间的规避、降轨升轨策略的可靠性以及环绕器升轨后的精度等等。因此进行火星探测地面全物理仿真试验具有非常重要的意义。

目前在地面仿真试验中模拟火星引力的方法主要有离心机法，基于永磁体磁极间相互作用等方法。

离心机法：离心机是一类具有巨大转子的旋转设备，试件装在臂端，当驱动转臂匀速旋转时，即可以在试件上形成稳定加速度场，离心机以一定加速度转动，又可以模拟加速度变化率；永磁体法：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。

目前在地面仿真实验，通常采用图像识别与处理的方法，获得目标实时的位置和速度。

使用离心机法具有很大的局限性：试件装在臂端而火星捕获制动及器器分离试验需要模拟这个过程中火星探测器轨道及姿态变化，离心机无法完成；永磁体法：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，本发明提出了一种能模拟地方仿真试验时模拟大小和方向都变化的火星引力，不需要在整个试验系统上产生引力场的一种火星引力模拟装置及其模拟方法。

本发明的技术方案是：一种火星引力模拟装置、包括运动模拟装置、火星引力施加装置、位置测量装置、控制装置，所述的运动模拟装置包括大理石平台、三自由度气浮支承系统、单自由度气浮系统、气浮系统主平台，其中三自由度气浮支承系统上安装有单自由度气浮系统、平台气瓶组，下方设置气足，单自由度气浮系统上设置气浮系统主平台，气浮系统主平台上设置有等效执行机构、陀螺仪、加速度计及与激光跟踪仪配套的智能测头，所述的等效执行机构包括高压气瓶组、减压稳压及电磁阀组件、喷嘴及控制线路盒，所述的运动模拟装置上还配合设置有火星引力施加装置、辅助运动装置、位置测量装置，其中，火星引力施加装置包括线圈、蹄形磁钢、导磁结构架。

进一步的，所述的引力施加装置共两组，且呈垂直分布。

进一步的，所述的位置测量装置包括安装在轴A上的车轮A、车轮B，轴A中心点还与轴B一端活动连接，其中，轴A与车轮A的连接处安装有编码器A，轴A中心点与轴B的连接点安装有编码器B。

一种火星引力模拟装置的引力模拟方法，使两组线圈在蹄形磁钢中相对位置保持不变，始终处于垂直正交状态，根据电磁感应定律与牛顿第三定律可以实现通过控制线圈中的电流大小来改变蹄形磁钢所受合力的大小模拟火星引力大小的变化；与引力施加装置相配合的位置测量装置中，位置测量装置在平面运动时编码器A可以测出两个车轮转过的角度α，根据弧长定理：L＝αR

L为车轮走过的距离，α为编码器测量出来的车轮所转过的角度，R为车轮半径，就可以计算出车轮走过的距离；

轴A可以带动车轮绕轴B转动，当车轮按照预定的轨迹运动时，当发生转弯，即非直线运动时，编码器B可以测量出轴A绕轴B转过的角度β，根据β和L，在很小的时间范围内，相应的可以得出小车的速度大小和方向，以大理石平面作为平面直角坐标系，取轴A的中心点为目标点，根据编码器返回的数据可以将小车此时的速度和位置信息反馈给控制系统，构成系统闭环。控制小车按照规划的路径运动，并且保持小车所带的火星引力施加装置的通电线圈相对于蹄形磁钢的位置保持不变，从而保证运动模拟器所受到的合力模拟大小和方向同时变化的火星引力作用。

本发明的有益效果是：通过采用本发明的技术方案，与离心机方法相比，本申请采用的两个位置上互相垂直的引力施加装置，可以在地面试验的同时模拟大小和方向均可变的火星引力作用，不需要在高速运动的离心机构中实现，结构简单，控制方法简便易行；与采用双永磁体相比，线圈中的电流控制容易，随时可以改变大小，进而改变引力的大小及方向；与图像处理方法相比，小车测量系统，仅使用两个编码器实现了小车在试验平台上的位置定位，结构简单，经济实惠，控制算法成熟，简单易行。

附图说明

图1为本发明火星引力模拟系统示意图。

图2为本发明引力施加装置结构示意图。

图3为本发明线圈与磁场位置关系图。

图4为本发明线圈与磁场位置关系图。

图5为本发明线圈所受到的合力示意图。

图6为本发明位置测量装置结构图。

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所示的一种火星引力模拟装置、包括运动模拟装置、火星引力施加装置、位置测量装置、控制装置，所述的运动模拟装置包括大理石平台1、三自由度气浮支承系统2、单自由度气浮系统3、气浮系统主平台4，其中三自由度气浮支承系统2上安装有单自由度气浮系统3、平台气瓶组6，下方设置气足5，单自由度气浮系统3上设置气浮系统主平台4，气浮系统主平台4上设置有等效执行机构、陀螺仪11、加速度计12及与激光跟踪仪14配套的智能测头15，所述的等效执行机构包括高压气瓶组10、减压稳压及电磁阀组件7、喷嘴8及控制线路盒9，所述的运动模拟装置上还配合设置有火星引力施加装置、辅助运动装置、位置测量装置19，其中，火星引力施加装置包括线圈17、蹄形磁钢18、导磁结构架，整个系统由控制台上的动力学仿真机13控制与监控运行状态。

在进行试验时，根据预先设计好的算法，运动模拟装置在辅助运动装置及引力施加装置的牵引下开始运动，当达到需要的初始状态时，运动辅助装置释放，接下来运动模拟装置仅在火星引力施加装置作用下在大理石平台1上运动，其可以完成在X、Y平面内的二维平动及绕Z轴的转动，位置测量装置及台上的姿态测量系统将测得的数据通过无线通信组件传给地面控制台，安装在模拟器上的控制线路盒接收地面控制台的姿态轨道控制指令，也可以根据预设的程序自主计算控制指令，然后对台上的等效执行机构发送指令进行喷气，从而控制运动模拟装置的运动轨迹和姿态，同时地面控制台还会根据运动模拟器当前的位置及姿态信息给辅助运动小车及引力施加装置发送指令，使引力施加装置按照预设程序模拟火星引力大小和方向的变化，位置测量装置将辅助运动小车的速度与位置实时的传给包括动力学仿真机的地面控制台，使其能够与运动模拟器保持相对不变的位置关系。

行星的引力影响比较大，其重力场模型非常复杂，其大小和方向都是变化的，引力施加装置用来模拟行星引力的输出，模拟装置在引力施加装置作用下的飞行轨迹，变轨时，运动模拟器在大推力以及引力的作用下，由椭圆轨道进入双曲线轨道，真实地模拟轨控的实际过程。

作为本发明的一个实施例，如图2所示，所述的引力施加装置共两组，且呈垂直分布。

作为本发明的一个实施例，如图6所示，所述的位置测量装置19，安装在辅助运动装置16上，包括安装在轴A上的车轮A、车轮B，轴A中心点还与轴B一端活动连接，其中，轴A与车轮A的连接处安装有编码器A，轴A中心点与轴B的连接点安装有编码器B。

整个系统是个伺服控制系统，在系统的控制作用下，模拟火星引力方向的变化；分别使两组线圈在磁钢中的相对位置保持不变，始终处于正交状态，且线圈相对于磁场的位置如图3、4所示，根据安培定理，通电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。图3、图4表示两个在位置上相互垂直的引力施加装置中线圈和磁场的示意图，使线圈对称的两边b、d同时处于相同的匀强磁场中，两边中通过的电流大小相同、线圈匝数相同，则由图可知两边受到的作用力大小相等、方向相反，因此磁场中实际上只有c边受到力的作用,两组线圈所受的力F1和F4相互垂直。

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，因此蹄形磁钢所受到两个反作用力F1′和F4′，两者合成合力F。如图5所示，当线圈匝数、磁场强度、及c边长度一定时，通过控制线圈中电流的大小来改变磁钢所受合力的大小，来模拟火星引力大小的变化。同时，分别控制两组线圈中的电流大小不同根据公式：

F＝F1′+F4′，

F2＝(F1′)²+(F4′)²

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\left|F{1}^{\′}\right|}{\left|F{4}^{\′}\right|}\right)$

改变模拟火星引力的方向。

一种火星引力模拟装置的引力模拟方法，使两组线圈(17)在蹄形磁钢(18)中相对位置保持不变，始终处于垂直正交状态，根据电磁感应定律与牛顿第三定律可以实现通过控制线圈中的电流大小来改变蹄形磁钢所受合力的大小模拟火星引力大小的变化；与引力施加装置相配合的位置测量装置中，位置测量装置在平面运动时编码器A可以测出两个车轮转过的角度α，根据弧长定理：L＝αR

L为车轮走过的距离，α为编码器测量出来的车轮所转过的角度，R为车轮半径，就可以计算出车轮走过的距离；

轴A可以带动车轮绕轴B转动，当车轮按照预定的轨迹运动时，当发生转弯，即非直线运动时，编码器B可以测量出轴A绕轴B转过的角度β，根据β和L，在很小的时间范围内，相应的可以得出小车的速度大小和方向，以大理石平面作为平面直角坐标系，取轴A的中心点为目标点，根据编码器返回的数据可以将小车此时的速度和位置信息反馈给控制系统，构成系统闭环，控制小车按照规划的路径运动，并且保持小车所带的火星引力施加装置的通电线圈相对于蹄形磁钢的位置保持不变，从而保证运动模拟器所受到的合力模拟大小和方向同时变化的火星引力作用。

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。