一種提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定度的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定度的裝置及方法，屬于航天器姿態(tài)動力學(xué)和 振動抑制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 單框架控制力矩陀螺（SGCMG)在工作過程中不消耗燃料，對空間環(huán)境不會造成污 染，并且相比飛輪而言，能夠提供較大的力矩輸出，能夠使得航天器進(jìn)行大角度快速姿態(tài)機(jī) 動。因此，使其成為了航天器姿態(tài)控制常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。近年來，隨著航天任務(wù)的多樣化 和任務(wù)需求的快速化，都要求航天器具有快速響應(yīng)的能力，即在接到航天器任務(wù)需求后，能 夠在三到五個月時間完成航天器的設(shè)計(jì)及制造。因此，航天器上一些部件的通用化和模塊 化設(shè)計(jì)成為了發(fā)展的重點(diǎn)。特別是針對SGCMG這類的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，出現(xiàn)了很多的 模塊化設(shè)計(jì)方法。例如Faucheux等人就根據(jù)單個SGCMG在衛(wèi)星上的安裝特點(diǎn)，提出了一 套 SGCMG 模塊化的設(shè)計(jì)方法（Faucheux P, Chupin S. "Control moment gyro and device for assembly thereof" · United States Patent. Nov. 8, 2011.)。除了對單 一SGCMG 進(jìn)行 模塊化設(shè)計(jì)以外，霍尼韋爾公司提出了角動量交換單元的概念，可以對多個SGCMG或者多 個飛輪以一種構(gòu)型的方式設(shè)計(jì)一種模塊化角動量單元，這樣能夠節(jié)省衛(wèi)星空間，并且能夠 減輕重量（Peck M A, Miller L, Cavender A R，et.al. "An airbearing-based testbed for momentum control systems and spacecraft line of sight'，· Advances in the Astronautical Sciences. Vol. 114 I, 2003. pp:427-446.)〇
[0003] 然而，SGCMG帶有高速轉(zhuǎn)子，由于轉(zhuǎn)子在加工過程中存在一定的誤差，使得轉(zhuǎn)子具 有靜動不平衡的特性，加之軸承的設(shè)計(jì)缺陷等，這些導(dǎo)致SGCMG成為了航天器上最大的振 動源之一。為能夠有效地抑制SGCMG產(chǎn)生的振動，也采用了大量的方法。例如，通過被動隔 振平臺將SGCMG與衛(wèi)星隔離開來。也有使用主被動一體化的隔振平臺安裝在多個SGCMG和 衛(wèi)星之間，以隔離SGCMG產(chǎn)生的振動。但是，這類的隔振方法都是通過平臺式的，既增加了 衛(wèi)星重量提高了發(fā)射成本，又占有了大量的衛(wèi)星內(nèi)部空間資源。此外，這類隔振平臺需要使 用至少六根支桿支撐，實(shí)現(xiàn)六自由度的振動隔離。因此此類隔振平臺構(gòu)型在一些方向上具 有耦合的特性。
[0004] 因此，對于目前高精高穩(wěn)高敏捷航天器而言，為SGCMG產(chǎn)生的振動進(jìn)行隔離的技 術(shù)成為了一個關(guān)鍵性問題。如何在充分考慮了衛(wèi)星重量以及衛(wèi)星內(nèi)部空間資源下，設(shè)計(jì)出 一套針對所有構(gòu)型及任何安裝形式下的SGCMG的隔振方法，并能夠使得隔振參數(shù)設(shè)計(jì)不那 么困難和保證航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)的正常工作成為了突出問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決單框架控制力矩陀螺的振動以及如何提高航天器姿態(tài) 穩(wěn)定度的問題，提供一種提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定度的裝置及方法。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對單框架 控制力矩陀螺的六自由度振動隔離，并且對在航天器上任意安裝的單框架控制力矩陀螺均 適用。該方法能夠?qū)⒑教炱鞯淖藨B(tài)角速度振動幅值降低至少95%，極大提高航天器的姿 態(tài)穩(wěn)定度，并且該方法具有普適性，能夠進(jìn)行推廣，即當(dāng)單框架控制力矩陀螺個數(shù)增加的時 候，方法中提及的整星動力學(xué)模型同樣適用，并能夠快速有效地求出航天器的姿態(tài)精度和 穩(wěn)定度，以判斷對姿態(tài)穩(wěn)定度的提高程度。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007] -種提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定度的裝置，命名為隔振元件；包括內(nèi)套筒和外套筒；內(nèi) 套筒與外套筒為帶有頂端的中空圓柱體；內(nèi)套筒橫切面直徑小于外套筒橫切面直徑；內(nèi)套 筒置于外套筒內(nèi)，內(nèi)套筒與外套筒之間存在間隙，金屬彈簧置于間隙中，金屬彈簧數(shù)量至少 為五根，其中一根金屬彈簧位于頂端的間隙處，另外四根在筒壁的間隙處均勻分布；隔振元 件的內(nèi)套筒套在單框架控制力矩陀螺的框架軸承上，實(shí)現(xiàn)與單框架控制力矩陀螺框架軸的 連接；外套筒與航天器固定連接；采用隔振元件即可實(shí)現(xiàn)隔振。
[0008] 金屬彈簧通過球鉸分別與隔振元件的內(nèi)壁和外壁相連。
[0009] -種提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定度的方法，具體步驟如下：
[0010] 步驟一、根據(jù)衛(wèi)星攜帶的單框架控制力矩陀螺的個數(shù)，確定隔振元件的個數(shù)。每一 個單框架控制力矩陀螺的框架軸兩端都裝有一個隔振元件，以實(shí)現(xiàn)對單框架控制力矩陀螺 的振動隔咼。
[0011] 步驟二、根據(jù)單框架控制力矩陀螺的框架軸承的直徑確定隔振元件的內(nèi)套筒和外 套筒的橫截面直徑以及隔振元件所包含的金屬彈簧原長。框架軸承直徑為a，則隔振元件 的內(nèi)套筒橫截面直徑r n= a,隔振元件的外套筒橫截面直徑;Tw= I. 4a，隔振元件的金屬彈 簧原長
[0012] 步驟三、根據(jù)隔振元件安裝形式，并認(rèn)為隔振元件中每個金屬彈簧只能軸向伸縮， 首先可以根據(jù)矢量關(guān)系得到每個金屬彈簧的長度向量S 1，長度I1，伸長量Al1,沿彈簧軸向 的單位向量S1，彈簧伸縮速度V 1。分別如下：
[0018] 其中，心;外壁連接點(diǎn)位置矢量列陣，％是內(nèi)壁連接點(diǎn)的位置矢量列陣、％是內(nèi)壁 連接點(diǎn)的速度矢量列陣，/,^是彈簧i的原長。
[0019] 步驟四、令I(lǐng)i1作為金屬彈簧的彈簧剛度系數(shù)，C ^乍為金屬彈簧的彈簧阻尼系數(shù)，可 以寫出彈簧i產(chǎn)生的彈力、以及對SGCMG中心點(diǎn)的力矩，具體如下
[0022] 對隔振元件中所有由彈簧產(chǎn)生的力和力矩求和可得SGCMG所受合力F。與合力矩 T。及由隔振元件傳遞給衛(wèi)星本體的力F。。和力矩T。。分別為
[0027] 步驟五、定義P w為單框架控制力矩陀螺的轉(zhuǎn)子慣性主軸坐標(biāo)系中心到轉(zhuǎn)子坐標(biāo) 系中心的矢量，該符號又可用于描述轉(zhuǎn)子的靜不平衡量。定義Awl為單框架控制力矩陀螺的 轉(zhuǎn)子慣性主軸坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，該符號又可用于描述轉(zhuǎn)子的動不平衡量。 根據(jù)動量定理和角動量定理，可以得到考慮了單框架控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子的靜不平衡量和動 不平衡量情況下的單框架控制力矩陀螺動力學(xué)模型，如下：
[0030] 其中m表示SGCMG的轉(zhuǎn)子和框架的總質(zhì)量，^和氣;,分別表示SGCMG的速度和角速 度，F(xiàn)c和Tc是SGCMG所受隔振元件的彈簧產(chǎn)生的合力與產(chǎn)生的合力矩。L C，遲 的詳細(xì)表達(dá)式如下所示：
[0036] 其中，上標(biāo)" X "表示矢量列陣的反對稱斜方陣，ω。表示在SGCMG框架坐標(biāo)系下描 述的SGCMG框架以及轉(zhuǎn)子的絕對角速度之和，mg表示SGCMG框架質(zhì)量，m w表示SGCMG轉(zhuǎn)子質(zhì) 量，P。是將P w描述在SGCMG框架坐標(biāo)系下的矩陣形式，V。表示在SGCMG框架坐標(biāo)系下描 述的SGCMG框架以及轉(zhuǎn)子的絕對速度之和，氣表示在SGCMG框架坐標(biāo)系下描述的星體絕對 角速度，Vgfl表示在SGCMG框架坐標(biāo)系下描述的框架幾何中心絕對速度，p41表示在SGCMG 框架坐標(biāo)系下描述的SGCMG動量，表示在SGCMG框架坐標(biāo)系下描述的SGCMG角動量，r。 表示慣性坐標(biāo)系的中心到SGCMG框架坐標(biāo)系中心的矢量，Iw表示SGCMG轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，I g 表示SGCMG框架的轉(zhuǎn)動慣量，C^1表示在SGCMG框架坐標(biāo)系下描述的框架絕對角速度。 [0037] 步驟六、認(rèn)為衛(wèi)星上攜帶的單框架控制力矩陀螺的個數(shù)為h，根據(jù)步驟四中得到的 每個SGCMG隔振元件傳遞給衛(wèi)星本體的力和力矩表達(dá)式，可以得到所有的SGCMG通過各自 的隔振元