[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

说明书

本发明公开了一种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，通过喷水口产生大小相同方向垂直于本体表面的反作用力来模拟作用在航天器表面的均布太阳光压力，为了保证喷水口喷水产生的反推力能够较为真实地模拟均布的太阳光压力，需要对喷水速度进行实时反馈控制，反馈量为实验体的姿态角和角速度；并采用沿结构杆滑动的质量块和推力器联合控制的方法模拟空间中太阳帆姿态的调整，本装置可以用于高面质比航天器姿态控制的地面等效模拟试验，验证高面质比航天器的姿态控制。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制地面等效模拟实验领域，具体涉及一种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。

背景技术

近年来，随着日本航天局的IKAROS项目和美国航空航天局的NanoSail-D2任务的成功实施，太阳帆等高面质比航天器越来越受到世界各国研究人员的重视。相比于传统航天器，这类高面质比航天器具有非常多的优势。在深空探索领域，这类航天器能够在不消耗航天器化学推进剂的情况下，利用太阳光压产生连续小推力，对其本身进行姿态和轨道控制；在近地航天任务中，这类高面质比航天器能够利用太阳光压、大气阻力等自然力改变航天器本身的运动状态，达到维持轨道构型不变的效果。尽管在世界范围内，已经有多个航天组织相继对包括太阳帆、芯片卫星等在内的高面质比航天器进行了在轨实验，但是其成本昂贵，且由于地面试验困难，导致任务成功率较低。另外，国内对该类航天器的研究更是只处于理论研究的初级状态，缺乏必要的地面仿真系统和仿真实验。

太阳辐射压力属于表面力，太阳帆航天器受力大小与其姿态相关，力的方向与太阳帆法线方向平行，因此如何在地面试验中等效模拟空间中太阳帆航天器受到的太阳辐射压力是本发明要解决的技术问题之一；对空间中太阳帆的姿态控制通常采用飞轮和质量块联合控制的方法实现太阳帆姿态的调整，因此如何在地面试验中等效模拟空间中太阳帆航天器的姿态控制是本发明要解决的技术问题之二。

发明内容

本发明的目的在于解决上述不足，提供一种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，能够用于高面质比航天器姿态控制的地面等效模拟试验，验证高面质比航天器姿态控制方法。

为了达到上述目的，一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，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的螺旋桨推进器；

所述水压控制层包括喷水推进模型，喷水推进模型上开设有若干喷水口，每个喷水口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，姿态控制系统包括设置在太阳帆帆面上呈X设置的四个结构杆，每个结构杆上均设置有能够在结构杆上滑动的质量块；

所述质心平衡层用于固定其它设备并调整质心使其位于厚度方向的对称面上。

所述压强控制系统包括与对应喷水口连接的储水装置，储水装置顶部设置有高压气瓶，储水装置内设置有压强计，储水装置上开设有可控放气阀，高压气瓶与储水装置的连接处设置有可控充气阀。

所述喷水口为九个，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，相邻的喷水口间距为800mm。

所述四组螺旋桨推进器为八个，分别设置在实验体的四个角以及侧边的中心上。

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，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；