[发明专利]高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体及实验方法

权利要求书

1.一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，包括水压控制层、质心控制层和质心平衡层，以及实验体侧边和顶角处均设置有螺旋桨推进器(12)；

所述水压控制层包括喷水推进模型(1)，喷水推进模型(1)上开设有九个喷水口(2)，每个喷水口(2)均对应连接一组压强控制系统；

所述质心控制层用于固定姿态控制系统(8)，姿态控制系统(8)包括设置在太阳帆帆面(11)上呈X设置的四个结构杆(10)，每个结构杆(10)上均设置有能够在结构杆(10)上滑动的质量块(9)；

所述质心平衡层用于固定其它设备并调整质心使其位于实验体厚度方向的对称面上。

2.根据权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，所述压强控制系统包括与对应喷水口(2)连接的储水装置(3)，储水装置(3)上设置有压强计(5)和可控放气阀(7)，储水装置(3)顶部设置有高压气瓶(4)，高压气瓶(4)与储水装置(3)的连接处设置有可控充气阀(6)。

3.根据权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，所述喷水口(2)为九个，呈3×3式九宫格式布置，中间喷水口位于姿控坐标系oxyz的ox轴上，相邻的喷水口(2)间距为800mm。

4.根据权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，所述螺旋桨推进器(12)为四组共八个，分别设置在实验体的四个角以及侧边的中心。

5.权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，给定预控制的太阳帆参数，包含尺寸参数、面质比参数和反射率参数，以太阳帆初始姿态、初始角速度、初始角加速度为初始输入量，得到t₀时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度；

步骤二，由t₀时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度和太阳帆参数求得该时刻太阳帆受到的太阳帆压力，然后由相似性原理得到实验体受到的等效总推力，进而算得此时实验体水压控制层上各个喷水口应通过喷水对实验体施加的等效反作用力；

步骤三，由t₀时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度通过相似性原理得到该时刻实验体各个喷水口自身随实验体运动的速度以及各个喷水口的位置，联立以上太阳帆姿态、角速度和角加速度信息通过动量定理得到实验体水压控制层上各个喷水口需要的喷水速度，通过测量系统测得此时喷水口的位置参数，然后由喷水口位置和喷水口喷水速度联立通过伯努利方程得到各个喷水口上方连接的储水装置中所需的气体压强P_t；

步骤四，通过压强控制系统的压强计测得t₀时刻储水装置中气体的压强P₀，将P₀的值与P_t的值进行比较，调节可控充气阀和可控放气阀，直至P_t＝P₀关闭充气阀或放气阀，结束对储水装置气压的调整；

步骤五，t₀时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度、太阳帆参数和太阳帆理想姿态运动轨迹进入待验证控制律中，控制律给出相应的四个质量块的位置参数，实验体上的执行机构电机控制质量块按控制律给出的指令运动；

步骤六，在喷水口喷水产生反作用力和质量块移动导致实验体质心变化的共同作用下，实验体会发生位置和姿态的变化，通过测量系统测得t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度；

步骤七，将t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度作为输入量更新t₀时刻对应的参数；

步骤八，重复步骤一至七，即可得到从起始时刻到终止时刻，每相隔t时刻实验体的实际姿态、角速度、角加速度，将实验体的实际姿态与理想的姿态轨迹进行比较，分析被验证控制律的性能。

6.根据权利要求5所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体的实验方法，其特征在于，所述步骤四中，若P_t＞P₀则打开与高压气瓶连接的可控充气阀对储水装置充气，否则打开储水装置顶端的可控放气阀排出储水装置中部分气体，在充气或放气期间实时更新储水装置顶端的压强计的测量值P₀。