适用于小行星及彗星的微重力着陆缓冲试验装置的研制

论文摘要

随着人类外太空探索能力的增强，小行星及彗星成为现代深空探测的重要目标之一。利用微重力模拟系统对探测器进行性能测试是其在小行星及彗星上着陆前必要的环节。针对现有微重力模拟装置体积庞大、价格高昂的问题，本文设计研制了一种旋转离心式微重力模拟实验装置，并在该实验装置中进行了着陆器原理模型的微重力模拟及着陆碰撞实验。建立了旋转离心式微重力试验装置的物理模型，并对物理模型进行了理论推导及计算工作，对模型中的重要参数包括滑块导轨摩擦力、弹簧刚度系数的线性度及磁力与距离的关系进行了实验测定，为微重力试验装置的设计提供了准确参数，利用Pro/E软件建立试验装置的三维模型，对影响装置精度的关键部件进行了静力学及动力学分析，而后运用ADAMS软件对整体装置进行运动学仿真分析，仿真结果与设计目标相符，最后使用AUTOCAD画出图纸，并加工制造。在此过程运用了建立理论模型—设计—仿真—预测性能—修正设计—加工制造的设计思路。经调试实验后表明该实验装置精确度高、可靠性强。本文提出了基于旋转离心力，同时利用弹簧的力学特性修正离心力变化，从而实现微重力模拟的方法，并设计研制了适用于旋转平台的微重力检测装置，将微重力模拟装置与检测装置集成，组成了完整的微重力实验系统。完成后的微重力试验系统满足微重力模拟实验的要求，与其他微重力试验装置相比，本装置体积小、成本低、微重力模拟时间较长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2.1 小行星及彗星探测的目的和意义
• 1.2.2 微重力试验系统研究的目的和意义
• 1.3 国内外微重力试验系统研究现状
• 1.3.1 国外微重力试验系统研究现状
• 1.3.2 国内微重力试验系统研究现状
• 1.4 本课题研究的内容
• 第2章 旋转离心式微重力试验装置的原理
• 2.1 引言
• 2.2 试验装置的原理
• 2.3 装置原理的物理模型分析
• 2.4 装置原理相关参数的实验测量
• 2.4.1 滑块与导轨摩擦系数的测量
• 2.4.2 弹簧刚度系数的测量
• 2.4.3 磁力与距离关系实验及分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 微重力试验系统的设计
• 3.1 引言
• 3.2 总体结构及组成
• 3.3 装置零件设计及制造
• 3.3.1 电机及其调速方式设计
• 3.3.2 传动部件的设计
• 3.3.3 导轨的设计及静力学分析
• 3.3.4 滑动部件的设计
• 3.3.5 挡板的设计
• 3.4 数据检测系统的设计
• 3.4.1 加速度测量系统的设计
• 3.4.2 振动检测装置的设计
• 3.5 导轨及整体装置的动力学分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 微重力试验装置仿真
• 4.1 引言
• 4.2 A D A MS 样机模型的建立
• 4.2.1 实验装置建模
• 4.2.2 约束的添加
• 4.3 A D A MS 运动仿真分析
• 4.3.1 滑块未加弹簧时的运动分析
• 4.3.2 滑块加弹簧后的运动分析
• 4.3.3 弹簧刚度与滑动部件质量的关系
• 4.4 本章小结
• 第5章 微重力试验系统的调试及实验
• 5.1 引言
• 5.2 微重力试验装置的调试
• 5.2.1 设定装置初始参数
• 5.2.2 导轨水平度调整及检测
• 5.2.3 滑动部件与导轨的改进
• 5.2.4 电机转速的控制
• 5.3 实验数据及分析
• 5.3.1 微重力模拟实验
• 5.3.2 着陆器模型的碰撞实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录一 加速度检测电路
• 附录二 加速度检测 C 语言程序
• 致谢