一种低重力场的飞行器冲击实验系统及实验方法与流程

1.本发明涉及一种低重力场的飞行器冲击实验系统及实验方法,属于模拟重力场实验技术领域。


背景技术：

2.在载人载物航天探索未知外星球过程中，飞行器着陆时，外星球重力场对人体耐受冲击力指标的研究，是确保航空航天过程中人和物安全的重要课题。
3.目前，国内外对于高g(g为地球重力加速度)值加速度的实验设备已经比较完备，包括火箭滑车、旋转座椅、激波风洞及冲击塔等实验装置。其中，火箭滑车采用固体火箭或火箭发射器作为动力源，其加速度值可达到40～50g；冲击塔在撞击后也可以达到60g左右的加速度，激波风洞产生的加速度过载值则更高。
4.以上设备无论是在实验过程中或者最后撞击时，都无法实现低于1g的加速度过载，航天飞行器在低于1g载荷下的研究装置仍然处于相对空白状态。
5.因此，研发一种低重力场环境下航天飞行器着陆冲击的实验系统，不仅是获取重要研究数据的依据，也是进一步探索未知星球的重要保障。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种低重力场的飞行器冲击实验系统及实验方法，该实验系统能够准确模拟0～1g的低重力场环境，且能够实现不同的冲击缓冲模拟；该控制方法步骤简单，易于操作，为航天飞行器着陆冲击提供研究数据，为进一步探索未知星球提供保障。
7.为了实现上述目的，本发明提供一种低重力场的飞行器冲击实验系统，包括塔架、提升单元、实验舱单元、冲击缓冲单元、水井及测控单元；
8.所述塔架安装于地面上，塔架内壁上端与地面之间设有导向架，导向架下端为冲击缓冲单元；所述导向架为上下贯通的镂空框架体，前后相对设置的一对纵向端面上分别设有一导轨；所述冲击缓冲单元包括动态冲击传感器和冲击缓冲装置；
9.所述实验舱单元包括实验舱、冲击杆、第一连接杆、第二连接杆、第一浮力容器和第二浮力容器，冲击杆固定连接于实验舱的下端；
10.第一连接杆和第二连接杆分别对称地连接于实验舱的左侧和右侧，所述的第一连接杆和第二连接杆均呈倒l形，包括水平段和竖直段，水平段的一端与实验舱连接，另一端与竖直段的上端连接，竖直段的下端连接同样的浮力容器，其中，第一连接杆竖直段的下端连接第一浮力容器，第二连接杆竖直段的下端连接第二浮力容器；实验舱左右端面上分别设有与其所在侧导轨相适配的滑块，实验舱通过滑块滑动安装于导向架内；
11.在导向架内安装有实验舱速度传感器和实验舱高度指示器；
12.与第一浮力容器和第二浮力容器所对应的地面下方分别开挖有下沉式水井一和水井二，所述水井一和水井二的深度及液面均等同，其深度不小于第一连接杆和第二连接
杆的竖直段与浮力容器的长度之和，同时其液面距离井口的高度不大于第一连接杆和第二连接杆的竖直段与浮力容器的长度之和；
13.所述提升单元包括第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、提升绞车、钢丝绳和电动脱钩器，提升绞车安装于塔架一侧的地面上，钢丝绳一端连接于提升绞车上，另一端分别绕经固定于地面上的第一滑轮、固定于塔架上的第二滑轮和第三滑轮后与电动脱钩器一端连接，电动脱钩器的另一端连接于实验舱的上端；
14.测控单元包括控制器，所述控制器分别与动态冲击传感器、冲击缓冲装置、实验舱速度传感器、实验舱高度指示器、提升绞车和电动脱钩器连接。
15.进一步地，所述冲击缓冲装置包括液压缸、活塞、单向阀、液压泵、电动机、油箱、溢流阀、第一大流量快速溢流阀、第二大流量快速溢流阀、第三大流量快速溢流阀和第四大流量快速溢流阀，所述液压泵由电动机驱动，液压泵的吸油口通过管路与油箱连通，排油口通过单向阀及管路与液压缸的下腔连通；液压泵的排油口通过溢流阀及管路与油箱连通；
16.在单向阀和液压缸之间的管路上并联安装第一大流量快速溢流阀，第一大流量快速溢流阀的排油口通过管路与油箱连通；
17.第二大流量快速溢流阀、第三大流量快速溢流阀和第四大流量快速溢流阀的进油口从下至上依次分别通过管路与液压缸的下腔连通，排油口通过管路分别与油箱连通。
18.进一步地，所述液压泵的排油口安装有压力表。
19.进一步地，所述的第一浮力容器和第二浮力容器为圆柱形容器。
20.一种低重力场的飞行器冲击实验方法，包括如下步骤：
21.1)根据所要模拟的低重力场对重力加速度的要求，通过计算调整第一浮力容器和第二浮力容器的体积或重量，使其在水中产生的浮力达到实验要求；根据实验舱冲击接触地面时的速度要求来确定实验舱单元所需的提升高度；
22.2)启动测控单元，控制器发出控制信号，首先使提升绞车通过钢丝绳及滑轮传动将实验舱单元提升至步骤1)中确定好的高度，然后由控制器向电动脱钩器发送控制信号，使电动脱钩器执行脱钩动作，实验舱单元与钢丝绳脱开，并沿导向架自由下落；
23.3)实验舱自由下落过程中，控制器分别向实验舱速度传感器和实验舱高度指示器发出控制信号，对实验舱下落过程中的速度及下落高度进行检测并记录；直至冲击杆插入冲击缓冲装置的液压缸内，并与活塞接触，通过冲击缓冲装置对实验舱着地进行缓冲，同时控制器控制动态冲击传感器对冲击力的变化进行检测和记录，通过测控单元向其他单元发送关闭控制信号，完成实验。
24.进一步地，步骤3)中，冲击缓冲装置的缓冲力通过手动预先调节或通过控制器动态调节。
25.本发明通过设置塔架、提升单元、实验舱单元、冲击缓冲单元、水井及测控单元，利用浮力容器进入水井时产生的浮力，以减小实验单元总的合力达到模拟低重力场环境的实验要求，同时，通过改变浮力容器的体积或重量大小，实现了0～1g低重力场的不同环境的实验要求；缓冲单元的缓冲力通过调节能够实现不同的缓冲效果，且实验舱和缓冲单元接触后产生缓冲力的同时被弹起，保证了低重力场的恒定不变。本发明的实验系统结构简单，实验方法步骤简单，易于操作，为航天飞行器着陆冲击提供了研究数据，为进一步探索未知星球提供了保障。
附图说明
26.图1是本发明的结构示意图；
27.图2是图1中a
‑
a向的结构示意图；
28.图3是本发明中冲击缓冲装置的结构示意图。
29.图中：1、塔架，2、导向架，3、动态冲击传感器，4、冲击缓冲装置，5、实验舱，6、冲击杆，7、第一连接杆，8、第二连接杆，9、水平段，10、竖直段，11、第一浮力容器，12、第二浮力容器，13、实验舱速度传感器，14、实验舱高度指示器，15、水井一，16、水井二，17、第一滑轮，18、第二滑轮，19、第三滑轮，20、提升绞车，21、钢丝绳，22、电动脱钩器，23、控制器，24、液压缸，25、活塞，26、单向阀，27、液压泵，28、电动机，29、油箱，30、溢流阀，31、第一大流量快速溢流阀，32、第二大流量快速溢流阀，33、第三大流量快速溢流阀，34、第四大流量快速溢流阀，35、压力表。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步说明。
31.如图1和图2所示，一种低重力场的飞行器冲击实验系统，包括塔架1、提升单元、实验舱单元、冲击缓冲单元、水井及测控单元；
32.所述塔架1安装于地面上，塔架内壁上端与地面之间设有导向架2，导向架2下端为冲击缓冲单元；所述导向架2为上下贯通的镂空框架体，前后相对设置的一对纵向端面上分别设有一导轨；所述冲击缓冲单元包括动态冲击传感器3和冲击缓冲装置4；
33.所述实验舱单元包括实验舱5、冲击杆6、第一连接杆7、第二连接杆8、第一浮力容器11和第二浮力容器12，冲击杆6固定连接于实验舱5的下端；
34.第一连接杆7和第二连接杆8分别对称地连接于实验舱5的左侧和右侧，所述的第一连接杆7和第二连接杆8均呈倒l形，包括水平段9和竖直段10，水平段9的一端与实验舱5连接，另一端与竖直段10的上端连接，竖直段10的下端连接同样的浮力容器，其中，第一连接杆7竖直段的下端连接第一浮力容器11，第二连接杆8竖直段的下端连接第二浮力容器12；实验舱5左右端面上分别设有与其所在侧导轨相适配的滑块，实验舱通过滑块滑动安装于导向架2内；
35.在导向架2内安装有实验舱速度传感器13和实验舱高度指示器14；
36.与第一浮力容器11和第二浮力容器12所对应的地面下方分别开挖有下沉式水井一15和水井二16，所述水井一15和水井二16的深度及液面均等同，其深度不小于第一连接杆7和第二连接杆8的竖直段与浮力容器的长度之和，同时其液面距离井口的高度不大于第一连接杆7和第二连接杆8的竖直段与浮力容器的长度之和；
37.所述提升单元包括第一滑轮17、第二滑轮18、第三滑轮19、提升绞车20、钢丝绳21和电动脱钩器22，提升绞车20安装于塔架1一侧的地面上，钢丝绳21一端连接于提升绞车20上，另一端分别绕经固定于地面上的第一滑轮17、固定于塔架1上的第二滑轮18和第三滑轮19后与电动脱钩器22一端连接，电动脱钩器22的另一端连接于实验舱5的上端；
38.测控单元包括控制器23，所述控制器23分别与动态冲击传感器3、冲击缓冲装置4、实验舱速度传感器13、实验舱高度指示器14、提升绞车20和电动脱钩器22连接。
39.优选地，如图3所示，所述冲击缓冲装置4包括液压缸24、活塞25、单向阀26、液压泵
27、电动机28、油箱29、溢流阀30、第一大流量快速溢流阀31、第二大流量快速溢流阀32、第三大流量快速溢流阀33和第四大流量快速溢流阀34，所述液压泵27由电动机28驱动，液压泵27的吸油口通过管路与油箱29连通，排油口通过单向阀26及管路与液压缸24的下腔连通；液压泵27的排油口通过溢流阀30及管路与油箱29连通；
40.在单向阀26和液压缸24之间的管路上并联安装第一大流量快速溢流阀31，第一大流量快速溢流阀31的排油口通过管路与油箱29连通；
41.第二大流量快速溢流阀32、第三大流量快速溢流阀33和第四大流量快速溢流阀34的进油口从下至上依次分别通过管路与液压缸24的下腔连通，排油口通过管路分别与油箱29连通。
42.优选地，所述液压泵27的排油口安装有压力表35。
43.优选地，所述的第一浮力容器11和第二浮力容器12为圆柱形容器。
44.一种低重力场的飞行器冲击实验方法，包括如下步骤：
45.1)根据所要模拟的低重力场对重力加速度的要求，通过计算调整第一浮力容器11和第二浮力容器12的体积或重量，使其在水中产生的浮力达到实验要求；根据实验舱5冲击接触地面时的速度要求来确定实验舱单元所需的提升高度；
46.2)启动测控单元，控制器23发出控制信号，首先使提升绞车20通过钢丝绳21及滑轮传动将实验舱单元提升至步骤1)中确定好的高度，然后由控制器23向电动脱钩器22发送控制信号，使电动脱钩器22执行脱钩动作，实验舱单元与钢丝绳21脱开，并沿导向架2自由下落；
47.3)实验舱5自由下落过程中，控制器23分别向实验舱速度传感器13和实验舱高度指示器14发出控制信号，对实验舱5下落过程中的速度及下落高度进行检测并记录；直至冲击杆6插入冲击缓冲装置的液压缸24内，并与活塞25接触，通过冲击缓冲装置4对实验舱5着地进行缓冲，同时控制器23控制动态冲击传感器对冲击力的变化进行检测和记录，通过测控单元向其他单元发送关闭控制信号，完成实验。
48.优选地，步骤3)中，冲击缓冲装置4的缓冲力通过手动预先调节或通过控制器动态调节。
49.在实验过程中，冲击缓冲装置的控制过程为：冲击前，调定溢流阀30的动作压力p，使其稍大于初步缓冲力所需压力，第一大流量快速溢流阀31、第二大流量快速溢流阀32、第三大流量快速溢流阀33、第四大流量快速溢流阀34调定压力分别为p1、p2、p3、p4，且p1>p2>p3>p4；启动电动机28驱动液压泵27，给液压缸24下腔供油使活塞25上升，当活塞25上升到最顶端并达到一定压力时停止供油，供油压力可通过压力表35观察。
50.本实验中的冲击缓冲过程共经历五个阶段：
51.第一阶段：在实验舱单元下落过程中，当冲击杆6进入冲击缓冲装置4碰到活塞25时，通过活塞及液压缸体内的油液首先产生一定的初步缓冲力，若液压缸活塞25的面积为a，在不考虑其它损失的情况下初步缓冲力为f＝p.a，则最大初步缓冲力可通过溢流阀30调节；
52.第二阶段：冲击杆6推动活塞25继续下移，使液压缸24的下腔油液压力继续升高，当液压缸下腔的油液压力升高到p4时，第四大流量快速溢流阀34打开溢流，通过活塞25产生向上的缓冲力，这时，在不考虑其它损失的情况下缓冲力为f＝p4.a；当活塞25下降一定
距离遮档住第四大流量快速溢流阀34的油口时，第四大流量快速溢流阀34停止溢流；
53.第三阶段：冲击杆6推动活塞25继续下移，使液压缸24下腔油液压力再次升高，当液压缸24下腔的油液压力升高到p3时，第三大流量快速溢流阀33打开溢流，通过活塞25产生向上的缓冲力，这时，在不考虑其它损失的情况下缓冲力为f＝p3.a；当活塞25下降一定距离遮档住第三大流量快速溢流阀33油口时，第三大流量快速溢流阀33停止溢流；
54.第四阶段：冲击杆6推动活塞25继续下移，使液压缸下腔油液压力再次升高，当液压缸下腔的油液压力升高到p2时，第二大流量快速溢流阀32打开溢流，通过活塞25产生向上的缓冲力，这时，在不考虑其它损失的情况下缓冲力为f＝p2.a；当活塞25下降一定距离遮档住第二大流量快速溢流阀32油口时，第二大流量快速溢流阀32停止溢流；
55.第五阶段：冲击杆6推动活塞继续下移，使液压缸24下腔油液压力再次升高，当液压缸24的下腔油液压力升高到p1时，第一大流量快速溢流阀31打开溢流，通过活塞25产生向上的缓冲力，这时，在不考虑其它损失的情况下缓冲力为f＝p1.a。
56.冲击缓冲过程中，冲击缓冲装置产生的缓冲力由小到大阶梯式增加，分别调整p1、p2、p3、p4的压力，就会产生不同的缓冲效果。