一種漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)及對航天器高精度姿態(tài)控制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種航天器高精度姿態(tài)控制的方法，針對漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其 對航天器高精度姿態(tài)控制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 角動量交換執(zhí)行機(jī)構(gòu)，尤其是反作用輪、動量輪和控制力矩陀螺，作為航天器主動 姿態(tài)控制采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，已經(jīng)在工程實際中得到了充分的應(yīng)用。其中，反作用輪、動量輪 的技術(shù)已經(jīng)很成熟，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外多種型號衛(wèi)星的高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。常速控 制力矩陀螺由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、系統(tǒng)響應(yīng)快等優(yōu)點，已成為工程實際中長壽命航 天器的首選姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0003] 航天器在軌運行中，反作用輪、動量輪和控制力矩陀螺作為姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)有 可能部分失效，其中失效的原因多是由于機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的缺陷，如電機(jī)的死區(qū)、功率極 限、振動干擾等等。另一方面，針對噴氣系統(tǒng)的貯箱內(nèi)燃料貯存及穩(wěn)定性分析的研究自上世 紀(jì)60年代就已開始，但是一直以來航天器燃料貯存存在大量的質(zhì)量冗余和空間浪費，在任 務(wù)完成后剩余幾十公斤燃料的情況非常普遍，這在一定程度上影響了航天器的有效載荷質(zhì) 量和空間的占比，并且在很大程度上增大了相互影響和干擾的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種漸變慣量充液執(zhí)行機(jī) 構(gòu)及對航天器高精度姿態(tài)控制的方法，提高姿態(tài)控制過程中，姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能 力，提高輸出力矩覆蓋的范圍，同時降低轉(zhuǎn)動部件高頻轉(zhuǎn)動時由于結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計問題帶來 的動不平衡、阻力過大等問題，解決的技術(shù)問題是利用該執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)航天器大角速度快 速調(diào)節(jié)和高精度高穩(wěn)定度控制問題。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：固定和安裝整個飛輪 結(jié)構(gòu)的真空容器（1)、飛輪軸承（2)、飛輪電機(jī)（3)、飛輪（4);飛輪（4)包含固體轉(zhuǎn)子部分 (41)、飛輪殼（42)、充液腔（43)、徑向?qū)Ч埽?4)和軸向?qū)Ч埽?5)、隔柵（46)以及充液閥 (47)、排液閥（48)和隔柵閥（49);真空容器（1)固定飛輪軸承（2)、飛輪電機(jī)（3)的位置， 飛輪軸承（2)安裝在飛輪（4)的轉(zhuǎn)軸兩端，起到固定和支撐飛輪（4)的作用；飛輪電機(jī)（3) 與飛輪（4)的轉(zhuǎn)軸配合，起到傳動轉(zhuǎn)軸的作用；飛輪充液腔（43)內(nèi)充有液體工質(zhì)，通過軸向 導(dǎo)管（45)和徑向?qū)Ч埽?4)從充液閥（47)注入，通過排液閥（48)排空；飛輪電機(jī)⑶的轉(zhuǎn) 速和充液腔（43)內(nèi)的液體注入和排空根據(jù)控制算法的計算進(jìn)行調(diào)節(jié)，由隔柵閥（49)、充液 閥（47)和排液閥（48)的開閉工作實現(xiàn)。
[0006] -種利用漸變慣量充液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行航天器高精度姿態(tài)控制的方法，其特征在于 實現(xiàn)步驟如下
[0007] 第一步，建立飛輪充液腔（43)內(nèi)的各層流面層流附面層方程
[0008]
[0009] \w表示沿飛輪殼（42)腔內(nèi)壁面的流速，假設(shè)附面層內(nèi)的速度分布Vy=f(Rw)是 一個函數(shù)多項式，VLw=aQ+aiRw+a2Rw2+a3Rw3+…，a。，ai，a2,a3…為多項式系數(shù)，VRw表示垂直飛 輪殼（42)腔內(nèi)壁面的流速，Lw表示流動的長度，Rw表示層流面半徑，P表示流體密度，p表 示流速變化引起的壓力差，v表示流體的粘性，根據(jù)附面層的邊界條件，由層流附面層方程 可得，在飛輪殼（42)壁面上滿足無滑移條件，￥ 1^=0八&=0，在附面層外邊界5處，￥^ = dV[M,0 ，且瓦
[0010] 第二步，根據(jù)第一步得出的在飛輪殼（42)壁面上VRw= 0,Vb= 0,得到aQ= 0 ;

在附面層外邊界S處 得到 S表示附面層的厚 r 度，vf表示層流面的流動速度，則附面層內(nèi)的流動速度
[0011] 第三步，根據(jù)第二步的流動速度
公式，可以得到附面層內(nèi)流 動速度\w和層流面流動速度Vf不同，V^〈Vf，即附面層內(nèi)存在流速損失，將流速的損失等效 為慣量的損失，得到以層流面流動速度vf為充液腔（43)等效流速的轉(zhuǎn)動慣量Iwf;
[0012] 第四步，根據(jù)第三步得到等效流速的轉(zhuǎn)動慣量Iwf，得到飛輪（4)的角動量hf，hf = IwfPf，表示腔內(nèi)流體的中心流場繞zw軸的轉(zhuǎn)動角速度，0f與Vf的關(guān)系為Vf=Rw0f， 由轉(zhuǎn)動角速度0f與轉(zhuǎn)動慣量Iwf建立航天器在執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣量變化過程中的姿態(tài)動力學(xué)方 程，得到姿態(tài)變化需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的控制力矩T。；
[0013] 第五步，根據(jù)上述姿態(tài)變化需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的控制力矩T。，考慮電機(jī)的摩擦系 數(shù)，建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)低速控制模型，設(shè)計適用于高精度高穩(wěn)定度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱律， 設(shè)計執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加減轉(zhuǎn)動慣量開關(guān)操縱律系數(shù)G與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速0f的控制關(guān)系，得到 通過調(diào)整轉(zhuǎn)動慣量Iwf和轉(zhuǎn)速0f，得到滿足高穩(wěn)定度要求的控制力矩T。的控制方法：
[0014] 0f小于排液臨界值時啟動排液閥（48)關(guān)閉充液閥（47)減小機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量；
[0015]Pf大于充液臨界值時啟動充液閥（47)關(guān)閉排液閥（48)，同時打開隔柵閥（49)， 提高充液腔（43)內(nèi)的充液量，使轉(zhuǎn)動慣量Iwf增加，達(dá)到要求的Iwf值時，充液閥（47)關(guān)閉；
[0016] 在不繼續(xù)充液的情況下提高轉(zhuǎn)動慣量1",時，排液閥（48)開啟，液體流向直徑大的 流動槽，使轉(zhuǎn)動慣量Iwf增加；
[0017]實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)動慣量^寸，充液閥（47)、隔柵閥（49)均全部開啟，使充液腔（43)充 滿；
[0018]通過調(diào)整轉(zhuǎn)動慣量Iwf和轉(zhuǎn)速Pf，得到滿足高穩(wěn)定度要求的控制力矩T。。本發(fā)明 與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0019] (1)與使用不變慣量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果相比，航天器的姿態(tài)參數(shù)變化曲線更 加平滑。將指向收斂結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，使用變慣量機(jī)構(gòu)后，航天器的最終收斂精度從 0.01°提高到了 〇.〇〇1° ;同時收斂曲線更平滑，收斂的過程也更穩(wěn)定。
[0020] (2)與使用不變慣量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果相比，本發(fā)明有效地避免了控制過程 中的角速度震蕩，在使用不變慣量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的震蕩區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入死區(qū)的時 間長、死區(qū)范圍大，這會影響輸出力矩的精度。采用本發(fā)明的設(shè)計后，通過穩(wěn)定調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動慣 量，提高小力矩輸出情況下的轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)死區(qū)的影響，從而提高了姿態(tài)控制精度。
[0021] (3)與使用慣量變化不連續(xù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果相比，本發(fā)明在轉(zhuǎn)速降低到規(guī) 定值時逐漸改變轉(zhuǎn)動慣量，提高飛輪的轉(zhuǎn)速，使飛輪快速通過死區(qū)，降低飛輪在死區(qū)運動的 時間。同時，避免了轉(zhuǎn)動慣量的突變造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出波動，提高了高精度高穩(wěn)定度控制 過程的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)主視圖；
[0023] 圖2為圖1中的A-A剖視圖；
[0024]圖3為發(fā)明漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布不意圖；其中a為液體充滿，b為外槽充 滿，c為內(nèi)槽充滿，d為液體排空；
[0025]圖4為本發(fā)明漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制變化過程圖；其中上圖表示安裝在航 天器X軸上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)流動角速度的變化曲線，中圖表示安裝在航天器Y軸上的執(zhí)行機(jī) 構(gòu)內(nèi)流動角速度的變化曲線，下圖表示安裝在航天器Z軸上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)流動角速度的變 化曲線。
[0026] 圖5為本發(fā)明航天器高精度姿態(tài)控制的方法控制圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的航天器姿態(tài)控制結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0028] 為了提高姿態(tài)控制過程中，姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能力，提高輸出力矩覆蓋的 范圍，同時降低轉(zhuǎn)動部件高頻轉(zhuǎn)動時由于結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計問題帶來的動不平衡、阻力過大等 問題，結(jié)合噴氣機(jī)構(gòu)和角動量交換執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作特點，本發(fā)明提出一種新型的利 用充液調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)動慣量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改進(jìn)角動量交換執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)型和轉(zhuǎn)子固有概念， 該執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過連續(xù)的改變液體工質(zhì)的充液比，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量的連續(xù)變化，根據(jù)不同的姿 態(tài)穩(wěn)定度、姿態(tài)機(jī)動能力要求，自主調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量，利用新構(gòu)型、新工質(zhì)，通過設(shè)計 一種新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)避免以往角動量交換執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速過高以及磨損嚴(yán)重存在高頻振 動現(xiàn)象，并提出一種利用該執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)航天器高精度姿態(tài)控制的方法。
[0029] 如圖1、2所示，本發(fā)明漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，包括：固定和安裝整個飛輪結(jié) 構(gòu)的真空容器1、飛輪軸承2、飛輪電機(jī)3、飛輪4;飛輪4包含固體轉(zhuǎn)子部分41、飛輪殼42、充 液腔43、徑向?qū)Ч?4和軸向?qū)Ч?5、隔柵46以及充液閥47、排液閥48和隔柵閥49 ;真空 容器1固定飛輪軸承2、飛輪電機(jī)3的位置，飛輪軸承2安裝在飛輪4的轉(zhuǎn)軸兩端，起到固定 和支撐飛輪4的作用；飛輪電機(jī)3與飛輪4的轉(zhuǎn)軸配合動轉(zhuǎn)軸的作用；飛輪充液腔43內(nèi)充 有液體工質(zhì)，通過軸向?qū)Ч?5和徑向?qū)Ч?4從充液閥47注入，通過排液閥48排空；控制 機(jī)構(gòu)5對飛輪電機(jī)3的轉(zhuǎn)速和充液腔43內(nèi)的液體注入和排空進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制隔柵閥49、充 液閥47和排液閥48的開關(guān)。漸變慣量飛輪的工作過程包括轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)動慣量控制兩方 面，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時，飛輪電機(jī)3控制飛輪固體轉(zhuǎn)子部分41實現(xiàn)控制方法要求的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行 轉(zhuǎn)動慣量控制時：控制方法要求通過增加充液腔43內(nèi)液體質(zhì)量使轉(zhuǎn)動慣量增加時，充液閥 47開啟，軸向?qū)Ч?5和徑向?qū)Ч?4從充液閥47注入飛輪充液腔43,隔柵閥49根據(jù)注入 液體的量由液壓作用開啟，充液腔43內(nèi)液體質(zhì)量增加至控制方法要求的值后充液閥47關(guān) 閉；控制方法要求不增加充液腔43內(nèi)液體質(zhì)量，但轉(zhuǎn)動慣量增加時，保持充液閥47關(guān)閉、排 液閥48關(guān)閉，使隔柵閥49開啟，液體進(jìn)入充液腔43直徑較大的流動槽內(nèi)，轉(zhuǎn)動慣量增加； 控制方法要求的轉(zhuǎn)動慣量減小時，開啟排液閥48、隔柵閥49,液體排出充液腔43,轉(zhuǎn)動慣量 減小。
[0030] 如圖3所示，本發(fā)明漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)充液和排空的不同質(zhì)量分布狀 態(tài)，充液狀態(tài)下飛輪充液腔內(nèi)可以根據(jù)需要充入要求質(zhì)量的液體，并且通過各層充液環(huán)中 間的閥門，在輪體旋轉(zhuǎn)離心力和壓力的作用下液體可以分布在最小半徑或最大半徑范圍 內(nèi)，滿足多慣量變化組合的靈活控制方式；需要排液時排液閥開，排出液體，減小轉(zhuǎn)動慣 量；
[0031] 如圖4所示，可以看出，本發(fā)明漸變慣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)在進(jìn)行姿態(tài)控制過程中，當(dāng)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速降低到臨界