[发明专利]航天器空间运动的地面等效实验设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及地面微重力实验方法与技术领域，特别涉及一种航天器空间运动的地面等效实验设计方法。

背景技术

航天器地面实验是航天领域的又一新兴的研究热点。航天器地面实验能够直观的展现航天任务的完成过程，因此它受到各个国家越来越多的关注和重视。

文献王奇，陈金明.美国的中性浮力模拟器及其应用[J].航天器环境工程，2003(9)：53-59，及文献马爱军，卢来洁，张磊等.美国的中性浮力设备及其应用[J].载人航天，2012(7)：19-25对国外微重力系统及功能进行了分析，约翰逊航天中心、马歇尔宇航中心以及马里兰大学等一批研究机构利用各自的地面实验设施做了大量的研究，但是其主要集中于材料、结构、机构以及航天员训练等方面。

文献何兆伟，师鹏，葛冰等.航天器地面实验的相似性分析方法[J].北京航空航天大学学报，2012，38(4):502－508，及文献齐彧，师鹏，赵育善.三体问题地面实验的相似性分析[J].宇航学报，2013(10)：1410-1416仅仅对二体问题和三体问题建立了地面实验的相似性分析方法，但没有进行普适性的地面等效实验任务设计。

发明内容

为解决现有技术存在的受到实验设备尺寸等因素的影响，地面无法对空间大范围运动、大型机构的操作等进行全尺寸有效模拟的问题，本发明提供了一种航天器空间运动的地面等效实验设计方法，本发明给出了可以适用于空间运动的地面等效实验任务的普适性设计方法。

为实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

航天器空间运动的地面等效实验设计方法，包括以下步骤：首先将空间运动参数化；然后用量纲分析方法给出空间原型与地面实验模型，利用相似性理论，得到各个运动参数在原型与模型间的映射关系；最后利用映射关系将空间中的任务按照完全相似的要求对应到地面微重力实验环境中。

作为本发明的进一步改进，所述设计方法具体包括以下步骤：

步骤一、空间任务的参数化

根据给定的绝对轨道运动任务和相对轨道运动，提取对应航天器的参数信息；利用动力学公式计算需要的空间原型变量大小；空间原型变量包括力F、引力系数μ、速度v、加速度a、角速度ω、角加速度α、冲量I、角动量h、转动惯量J和力矩M^*；

步骤二、等效比例因子的确定

2.1)利用量纲分析法获得模型与原型之间的相似条件，得到原型和模型之间等效的比例因子，建立等效关系；

对于空间原型运动来说，引入三个基本量纲：质量M、长度L及时间T；其他所有相关变量均可由基本量纲表示：力F表示为MLT^-2、引力系数μ表示为L³T^-2、速度v表示为LT^-1、加速度a表示为LT^-2、角速度ω表示为T^-1、角加速度α表示为T^-2、冲量I表示为MLT^-1、角动量h表示为L²T^-1、转动惯量J表示为ML²、力矩M^*表示为ML²T^-2；

2.2)确定三个基本量纲对应的等效比例因子，再确定其他参数对应的等效比例因子；三个基本量纲对应的等效比例因子根据以下公式得到：

i＝1,2,3，分别代表质量M、长度L、时间T；

其他参数的等效比例因子λ_i基于以下公式得到：