本發(fā)明涉及電磁學(xué)領(lǐng)域，具體是一種火星探測器地面半實物仿真試驗用的基于電磁學(xué)原理的火星引力模擬裝置及其模擬方法。

背景技術(shù)：

與其他行星相比，火星是與地球最為相似，也是最有可能在其上發(fā)現(xiàn)地球以外生命現(xiàn)象的一顆行星，近年來有的國家已經(jīng)發(fā)射火星探測器，并啟動火星探測研究計劃，火星探測的重要任務(wù)就是探測火星表面、水和生命?；鹦翘綔y器發(fā)射之前需要進行一系列地面仿真試驗，火星探測器進入火星引力場之后，進入一個圍繞火星旋轉(zhuǎn)的大橢圓軌道，要進行火星表面探測則探測器需要完成火星捕獲制動，制動機會只有一次，探測器在大推力及火星引力作用下，變軌制動進入著陸軌道，之后環(huán)繞器姿態(tài)機動由降軌姿態(tài)調(diào)整至分離姿態(tài)，環(huán)繞器與著陸器分離后，環(huán)繞器姿態(tài)機動至升軌姿態(tài)擇機進行升軌機動。整個器器分離階段探測器的姿態(tài)機動和軌道機動比較頻繁，同時還需要保證著陸器進入火星大氣時的進入角、器器分離后兩器之間的規(guī)避、降軌升軌策略的可靠性以及環(huán)繞器升軌后的精度等等。因此進行火星探測地面全物理仿真試驗具有非常重要的意義。

目前在地面仿真試驗中模擬火星引力的方法主要有離心機法，基于永磁體磁極間相互作用等方法。

離心機法：離心機是一類具有巨大轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，試件裝在臂端，當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)臂勻速旋轉(zhuǎn)時，即可以在試件上形成穩(wěn)定加速度場，離心機以一定加速度轉(zhuǎn)動，又可以模擬加速度變化率；永磁體法：據(jù)永磁體間同性相斥，異性相吸原理設(shè)計的火星引力模擬系統(tǒng)。

目前在地面仿真實驗，通常采用圖像識別與處理的方法，獲得目標(biāo)實時的位置和速度。

使用離心機法具有很大的局限性：試件裝在臂端而火星捕獲制動及器器分離試驗需要模擬這個過程中火星探測器軌道及姿態(tài)變化，離心機無法完成；永磁體法：只能根據(jù)理論值估計永磁體空間磁場，實際值與理論值會有很大的誤差，系統(tǒng)的精度較低，而且永磁體與模擬器的鐵磁性材料之間的吸引力不可忽略，會對系統(tǒng)產(chǎn)生額外的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種能模擬地方仿真試驗時模擬大小和方向都變化的火星引力，不需要在整個試驗系統(tǒng)上產(chǎn)生引力場的一種火星引力模擬裝置及其模擬方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種火星引力模擬裝置、包括運動模擬裝置、火星引力施加裝置、位置測量裝置、控制裝置，所述的運動模擬裝置包括大理石平臺、三自由度氣浮支承系統(tǒng)、單自由度氣浮系統(tǒng)、氣浮系統(tǒng)主平臺，其中三自由度氣浮支承系統(tǒng)上安裝有單自由度氣浮系統(tǒng)、平臺氣瓶組，下方設(shè)置氣足，單自由度氣浮系統(tǒng)上設(shè)置氣浮系統(tǒng)主平臺，氣浮系統(tǒng)主平臺上設(shè)置有等效執(zhí)行機構(gòu)、陀螺儀、加速度計及與激光跟蹤儀配套的智能測頭，所述的等效執(zhí)行機構(gòu)包括高壓氣瓶組、減壓穩(wěn)壓及電磁閥組件、噴嘴及控制線路盒，所述的運動模擬裝置上還配合設(shè)置有火星引力施加裝置、輔助運動裝置、位置測量裝置，其中，火星引力施加裝置包括線圈、蹄形磁鋼、導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)架。

進一步的，所述的引力施加裝置共兩組，且呈垂直分布。

進一步的，所述的位置測量裝置包括安裝在軸A上的車輪A、車輪B，軸A中心點還與軸B一端活動連接，其中，軸A與車輪A的連接處安裝有編碼器A，軸A中心點與軸B的連接點安裝有編碼器B。

一種火星引力模擬裝置的引力模擬方法，使兩組線圈在蹄形磁鋼中相對位置保持不變，始終處于垂直正交狀態(tài)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律與牛頓第三定律可以實現(xiàn)通過控制線圈中的電流大小來改變蹄形磁鋼所受合力的大小模擬火星引力大小的變化；與引力施加裝置相配合的位置測量裝置中，位置測量裝置在平面運動時編碼器A可以測出兩個車輪轉(zhuǎn)過的角度α，根據(jù)弧長定理：L＝αR

L為車輪走過的距離，α為編碼器測量出來的車輪所轉(zhuǎn)過的角度，R為車輪半徑，就可以計算出車輪走過的距離；

軸A可以帶動車輪繞軸B轉(zhuǎn)動，當(dāng)車輪按照預(yù)定的軌跡運動時，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)彎，即非直線運動時，編碼器B可以測量出軸A繞軸B轉(zhuǎn)過的角度β，根據(jù)β和L，在很小的時間范圍內(nèi)，相應(yīng)的可以得出小車的速度大小和方向，以大理石平面作為平面直角坐標(biāo)系，取軸A的中心點為目標(biāo)點，根據(jù)編碼器返回的數(shù)據(jù)可以將小車此時的速度和位置信息反饋給控制系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)。控制小車按照規(guī)劃的路徑運動，并且保持小車所帶的火星引力施加裝置的通電線圈相對于蹄形磁鋼的位置保持不變，從而保證運動模擬器所受到的合力模擬大小和方向同時變化的火星引力作用。

本發(fā)明的有益效果是：通過采用本發(fā)明的技術(shù)方案，與離心機方法相比，本申請采用的兩個位置上互相垂直的引力施加裝置，可以在地面試驗的同時模擬大小和方向均可變的火星引力作用，不需要在高速運動的離心機構(gòu)中實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，控制方法簡便易行；與采用雙永磁體相比，線圈中的電流控制容易，隨時可以改變大小，進而改變引力的大小及方向；與圖像處理方法相比，小車測量系統(tǒng)，僅使用兩個編碼器實現(xiàn)了小車在試驗平臺上的位置定位，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實惠，控制算法成熟，簡單易行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明火星引力模擬系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明引力施加裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明線圈與磁場位置關(guān)系圖。

圖4為本發(fā)明線圈與磁場位置關(guān)系圖。

圖5為本發(fā)明線圈所受到的合力示意圖。

圖6為本發(fā)明位置測量裝置結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。

如圖1所示的一種火星引力模擬裝置、包括運動模擬裝置、火星引力施加裝置、位置測量裝置、控制裝置，所述的運動模擬裝置包括大理石平臺1、三自由度氣浮支承系統(tǒng)2、單自由度氣浮系統(tǒng)3、氣浮系統(tǒng)主平臺4，其中三自由度氣浮支承系統(tǒng)2上安裝有單自由度氣浮系統(tǒng)3、平臺氣瓶組6，下方設(shè)置氣足5，單自由度氣浮系統(tǒng)3上設(shè)置氣浮系統(tǒng)主平臺4，氣浮系統(tǒng)主平臺4上設(shè)置有等效執(zhí)行機構(gòu)、陀螺儀11、加速度計12及與激光跟蹤儀14配套的智能測頭15，所述的等效執(zhí)行機構(gòu)包括高壓氣瓶組10、減壓穩(wěn)壓及電磁閥組件7、噴嘴8及控制線路盒9，所述的運動模擬裝置上還配合設(shè)置有火星引力施加裝置、輔助運動裝置、位置測量裝置19，其中，火星引力施加裝置包括線圈17、蹄形磁鋼18、導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)架，整個系統(tǒng)由控制臺上的動力學(xué)仿真機13控制與監(jiān)控運行狀態(tài)。

在進行試驗時，根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的算法，運動模擬裝置在輔助運動裝置及引力施加裝置的牽引下開始運動，當(dāng)達到需要的初始狀態(tài)時，運動輔助裝置釋放，接下來運動模擬裝置僅在火星引力施加裝置作用下在大理石平臺1上運動，其可以完成在X、Y平面內(nèi)的二維平動及繞Z軸的轉(zhuǎn)動，位置測量裝置及臺上的姿態(tài)測量系統(tǒng)將測得的數(shù)據(jù)通過無線通信組件傳給地面控制臺，安裝在模擬器上的控制線路盒接收地面控制臺的姿態(tài)軌道控制指令，也可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序自主計算控制指令，然后對臺上的等效執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送指令進行噴氣，從而控制運動模擬裝置的運動軌跡和姿態(tài)，同時地面控制臺還會根據(jù)運動模擬器當(dāng)前的位置及姿態(tài)信息給輔助運動小車及引力施加裝置發(fā)送指令，使引力施加裝置按照預(yù)設(shè)程序模擬火星引力大小和方向的變化，位置測量裝置將輔助運動小車的速度與位置實時的傳給包括動力學(xué)仿真機的地面控制臺，使其能夠與運動模擬器保持相對不變的位置關(guān)系。

行星的引力影響比較大，其重力場模型非常復(fù)雜，其大小和方向都是變化的，引力施加裝置用來模擬行星引力的輸出，模擬裝置在引力施加裝置作用下的飛行軌跡，變軌時，運動模擬器在大推力以及引力的作用下，由橢圓軌道進入雙曲線軌道，真實地模擬軌控的實際過程。

作為本發(fā)明的一個實施例，如圖2所示，所述的引力施加裝置共兩組，且呈垂直分布。

作為本發(fā)明的一個實施例，如圖6所示，所述的位置測量裝置19，安裝在輔助運動裝置16上，包括安裝在軸A上的車輪A、車輪B，軸A中心點還與軸B一端活動連接，其中，軸A與車輪A的連接處安裝有編碼器A，軸A中心點與軸B的連接點安裝有編碼器B。

整個系統(tǒng)是個伺服控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)的控制作用下，模擬火星引力方向的變化；分別使兩組線圈在磁鋼中的相對位置保持不變，始終處于正交狀態(tài)，且線圈相對于磁場的位置如圖3、4所示，根據(jù)安培定理，通電線圈在蹄形永磁鐵中會受到力的作用，當(dāng)匝數(shù)為N的通電線圈與磁感應(yīng)強度相垂直時，通電線圈在磁場中受到的力F滿足如下公式：

F＝NBIL

其中B為磁場的磁感應(yīng)強度；I為檢測導(dǎo)線中的電流強度；L為檢測導(dǎo)線的有效長度；N為線圈匝數(shù)；F為檢測導(dǎo)線在磁場中受到的安培力。圖3、圖4表示兩個在位置上相互垂直的引力施加裝置中線圈和磁場的示意圖，使線圈對稱的兩邊b、d同時處于相同的勻強磁場中，兩邊中通過的電流大小相同、線圈匝數(shù)相同，則由圖可知兩邊受到的作用力大小相等、方向相反，因此磁場中實際上只有c邊受到力的作用,兩組線圈所受的力F1和F4相互垂直。

根據(jù)牛頓第三定律，相互作用的兩物體之間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在同一直線上，因此蹄形磁鋼所受到兩個反作用力F1′和F4′，兩者合成合力F。如圖5所示，當(dāng)線圈匝數(shù)、磁場強度、及c邊長度一定時，通過控制線圈中電流的大小來改變磁鋼所受合力的大小，來模擬火星引力大小的變化。同時，分別控制兩組線圈中的電流大小不同根據(jù)公式：

F＝F1′+F4′，

F2＝(F1′)²+(F4′)²

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

改變模擬火星引力的方向。

一種火星引力模擬裝置的引力模擬方法，使兩組線圈(17)在蹄形磁鋼(18)中相對位置保持不變，始終處于垂直正交狀態(tài)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律與牛頓第三定律可以實現(xiàn)通過控制線圈中的電流大小來改變蹄形磁鋼所受合力的大小模擬火星引力大小的變化；與引力施加裝置相配合的位置測量裝置中，位置測量裝置在平面運動時編碼器A可以測出兩個車輪轉(zhuǎn)過的角度α，根據(jù)弧長定理：L＝αR

L為車輪走過的距離，α為編碼器測量出來的車輪所轉(zhuǎn)過的角度，R為車輪半徑，就可以計算出車輪走過的距離；

軸A可以帶動車輪繞軸B轉(zhuǎn)動，當(dāng)車輪按照預(yù)定的軌跡運動時，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)彎，即非直線運動時，編碼器B可以測量出軸A繞軸B轉(zhuǎn)過的角度β，根據(jù)β和L，在很小的時間范圍內(nèi)，相應(yīng)的可以得出小車的速度大小和方向，以大理石平面作為平面直角坐標(biāo)系，取軸A的中心點為目標(biāo)點，根據(jù)編碼器返回的數(shù)據(jù)可以將小車此時的速度和位置信息反饋給控制系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)，控制小車按照規(guī)劃的路徑運動，并且保持小車所帶的火星引力施加裝置的通電線圈相對于蹄形磁鋼的位置保持不變，從而保證運動模擬器所受到的合力模擬大小和方向同時變化的火星引力作用。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。