[发明专利]一种用于微重力试验的矢量推力飞行器及其试验方法

说明书

本发明公开了一种用于微重力试验的矢量推力飞行装置，包括机头、机身试验舱、机尾、尾翼和矢量推力系统，所述的机头为中空结构，机尾包括尾舱和设于尾舱末端的尾杆，尾舱和机头分别设置在机身试验舱的两端；尾翼呈十字交叉型设置在尾杆上，尾翼上设置有可动操纵面；矢量推力系统可以实现二个自由度的转动。本飞行装置利用地球重力对飞行器进行纵向加速飞行，相对于传统装置，本装置不需要携带高容量能源模块以及大功率推进装置，降低了飞行装置的重量和回收时触底的冲力。本装置的尾翼和矢量推进系统结合来控制飞机在低速、中速、高速飞行时期产生稳定而精准的操纵力矩。

技术领域

本发明属于空间设备地面模拟试验领域，涉及一种用于微重力试验的矢量推力飞行器及其微重力试验方法。

背景技术

20世纪以来，各国都大力发展空间技术，其中空间机械臂、空间飞网等设备在太空设施维修、目标卫星捕获、太空垃圾回收等领域有着巨大的应用价值。然而，由于直接进行空间应用具有巨大的风险以及耗费巨大的成本，研究人员往往建立微重力平台来进行初步的地面验证。常用的微重力试验方法有曲线飞行法、高空落塔法、气浮台试验法三种。

欧洲航空航天局(EESA)利用有人驾驶飞机进行了短时间的低重力试验，并研究了空间飞网在无空气阻力、低重力环境下张网形态。这种方法的不足之处在于有人机由于气动布局以及飞控系统的完全限制无法实现长时间大倾角飞行，成本高并且具有相当的风险性。

目前空间设备的地面模拟试验还采用了平面气浮台装置；其优点在于可以实现水平面内极小摩擦情况下的运动，具有较高精度。然而对于复杂的机械臂，其只能支持不超过3个自由度的运动，因此必须通过分次调整安装角度的方式来模拟机械臂的运动。此外，对于空间飞网这样的柔性物体，气浮台无法完成其动力学试验。

现有的高空落塔试验也存在着试验段较短的局限性。中国专利公开号CN102520699A，公开日2012年6月27日，发明了一种中空的高空落塔装置及其试验方法，其采用外部单元设定试验控制程序来操纵落舱的下落。其不足之处在于，由于建造高度受到建造成本以及技术难度的限制，该落塔高度为80米，微重力产生时间较短(约为4秒)，难以满足机械臂接触动力学以及空间飞网展开段的时间要求。

发明内容

针对现有制备技术的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种用于微重力试验的矢量推力飞行器及其微重力试验方法，解决现有的微重力试验平台安全风险大、微重力试验时间段以及成本昂贵的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种用于微重力试验的矢量推力飞行装置，包括机头、机身试验舱、机尾、尾翼和矢量推力系统，所述的机头为中空结构，其内部设置有机载计算机、数据链机载终端、惯性测量机载设备；所述的机身试验舱内设置有试验目标物体以及试验记录设备；

所述的机尾包括尾舱和设于尾舱末端的尾杆，所述的尾舱和机头分别设置在机身试验舱的两端，所述的尾舱可以在机载计算机的控制下与机身试验舱分离；所述的尾翼呈十字交叉型设置在尾杆上，所述的尾翼上设置有可动操纵面；所述的矢量推力系统可以实现二个自由度的转动。

进一步的，所述的矢量推力系统包括矢量推力机构、两个共轴安装且旋转方向相反的电机和旋翼，所述的电机设置在矢量推力机构上，所述的旋翼连接在电机上；所述的矢量机构带动电机和旋翼进行二个自由度的偏转从而产生力矩进而改变飞行姿态。

进一步的，所述的机身试验舱分为前段、中段和后段，从前段至后段机身试验舱直径先增大后减小；所述的机头与机身前段光滑连接，所述的机身中段为等截面圆柱形，所述的机身后段与尾舱光滑连接；所述的机头、机身试验舱、尾舱和尾杆共轴线。

进一步的，所述的机头为锥体状，锥面为曲面形状，所述的尾舱为椎体状，锥面为曲面形状，所述的尾杆为圆柱体，所述的尾舱从机身后段逐渐收缩至尾杆。