基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法-论文.pdf

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1、2014年6月中国空间科学技术第3期ChineseSpaceScienceandTechnology基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法徐志刚王昊王军义边真真(1中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳110016)(2中国科学院大学，北京100039)摘要针对航天器高精度地面微重力仿真试验实现难题，提出了一种基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法。通过对该实现方法的原理分析，指出了该方法实现高精度垂向失重运动模拟的等效动力学条件及其适用奈件，并分析了基于该实现方法的模拟器构型要求。对模拟误差精度进行仿真分析，结果显示其失重运动模拟精度可达99，满足高精度微重力仿真试验的要求。

2、关键词微重力；等效动力学；垂向失重运动；航天模拟器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．03．0081引言航天工程上为了验证方案设计的正确性，提高在轨运行的可靠性，减少失控的风险，开展地面仿真试验非常必要。常用的地面仿真试验方法有全物理仿真、半物理仿真和计算机仿真。虽然全物理仿真实现更加困难，投人更加巨大，但仿真结果更加接近真实情况，通常作为工程实现的最后一步反复进行。航天器地面仿真试验，需要模拟航天器在太空中的真实环境状态，航天器在太空中处于完全失重状态，具有六个完全自由度。目前，国内外能够实现六自由度失重运动模拟的方法主要有液浮法和柔索悬挂法

3、。液浮法的原理是将飞行器(航天模拟器)密封后与漂浮器连接一起放入水中，通过调整漂浮器配重使整个系统在水中悬浮，液浮式试验系统的优点是可以进行三维空间的微重力试验，实验时间不受限制，缺点是由于水的阻力以及惯量会改变空间机器人的动力学特性，因此飞行器需要经过专门的设计，以避免受到水下环境的影响_1]。柔索悬挂法的原理是通过柔索悬挂飞行器，利用柔索的拉力平衡飞行器的重力，悬挂系统的运动轨迹与飞行器的运动轨迹实时保持一致。柔索悬挂法的优点是可以进行三维空间的仿真试验，试验时间不受限制，缺点是重力补偿精度不够高，难以辨识悬挂系统的动摩擦力并在其控制系统中准确补偿，由于飞行器和悬挂系统之

4、间存在耦合振动，柔索晃动可能使得整个系统不稳定。气浮法同样在航天地面仿真试验中广泛应用，国外已研制出多套成熟的五自由度气浮仿真试验系统⋯，六自由度气浮台应用情况尚未见报道。中国高性能航天器仿真试验主要依靠进口的五自由度气浮台，自主研制的五自由度全气浮仿真实验台还处在样机阶段，未真正成功应用于航天器仿真试验。]。随着航天技术的发展，高度敏捷自治航天器成为目前航天领域研究的一个重要方向，其在太空中需要很高的机动性，需要完成变轨飞行、目标跟踪与捕获以及编队飞行等任务]。这对航天地面仿真试验模拟器提出了更高的要求，要求具有六个完全自由度和更高的模拟精度。这是液浮法和柔索悬挂法无法做到

5、的，因此研究高性能六自由度气浮航天模拟器，满足现代小型敏捷航天器的仿真试验需求势在必行。收稿日期：20I308—01。收修改稿El期：20I3-122654中国空间科学技术2014年6月高精度垂向失重运动自由度的实现是气浮法六自由度航天模拟器设计的难点，区别于五自由度航天模拟器的关键所在。该自由度实现需要保证模拟器的质量，质心位置和转动惯量不变，同时垂向运动部分在外力扰动的作用下模拟全质量的等效动力学特性。本文结合气浮技术提出一种基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法，配合其他原理技术实现六自由度航天地面仿真试验模拟器。2等效动力学原理2．1垂向失重运动实现设计本文设计的六

6、自由度航天模拟器(见图1、图2)是在常用五自由度气浮航天模拟器]基础上增加垂向失重运动自由度实现。采用气浮技术实现水平三自由度，二维转台实现另外滚转、俯仰转动自由度。根据杠杆平衡原理，提出通过滑轮组合实现模样件(垂向运动部分指二维转台组合及其以上部分)重力平衡的方法，即在常用五自由度航天模拟器构型二维转台和气浮平台之间通过增加滑轮配重实现垂向运动自由度。电机同转速带动两个半径不同滑轮，小半径滑轮带动模样件，大半径滑轮带动配重块实现配重平衡。图1六自由度航天模拟器原理构型图2六自由度航天模拟器i维模型Fig．16DOFspacecraftsimulatorFig．2Three—

7、dimensionmodelofschematicdiagram6DOFspacecraftsimulator2．2等效动力学原理分析气浮滑轮该设计构型下模拟器具有和真实飞行器不同的运动特点。真实飞行器在外力作用下，各方向均为全质量运动，航天模拟器垂向运动是模拟器部分运动，因此，垂向失重运动设计需要满足一定条件实现等效质量模拟，即：在非全质量模拟下达到全质匕：，气／浮导柱量等效动力学特性。设模样件质量，配重块质量m，模样件滑轮半径r，配重块滑轮半径R，转角为系统广义坐标，设配重块及模样件滑轮半径比尼一R