一种三飞轮一体化布局装置及其安装调整方法与流程

本发明涉及一种三飞轮布局装置及其安装方法，属于航天飞行器结构总体布局设计领域。

背景技术：

航天飞行器在轨执行任务期间改变飞行姿态或者控制外部干扰，需要飞轮进行姿态控制。飞轮的作用原理是用力矩电机使角动量轮加速或减速，产生的反作用力矩作为控制力矩用于改变飞行器姿态或者对抗干扰力矩。航天飞行器飞轮组一般采用4个飞轮，其中3个相互正交，另一个斜装在3个正交飞轮合成角动量矢量的相反方向。

大部分航天器的4个飞轮组都是单独布置，由4个支架分别支撑飞轮，使得飞轮支架质量重、占用的空间大。由于常规航天飞行器的布局空间比较充足，布局空间问题不是很紧迫。但是随着航天飞行器的结构越来越紧凑，内部空间越来越小，舱内设备充填率增大，尤其是空天飞行器，能够让飞轮布局空间非常狭小，需要在狭窄的空间内进行飞轮组的布局、安装和测量非常困难。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有的技术不足，提供了一种三飞轮一体化布局装置及其安装调整方法，解决了航天飞行器舱内空间紧凑，三飞轮组布局困难，同时由于舱内空间开敞性不好，安装操作空间不足，测量光路可达性不好的问题。通过将三个飞轮集成布局，采用树状支架方案，同时使用转接棱镜，将测量的基准棱镜转接出半封闭空间，实现经纬仪的测量光路可达性。

本发明所采用的技术方案是：一种三飞轮一体化布局装置，包括：树状支架、飞轮；飞轮包括横向飞轮、纵向飞轮、斜置飞轮；树状支架包括支架本体；支架本体为一体化的树形支架，包括主支撑杆、斜向支撑杆、结构连接杆；纵向飞轮安装在主支撑杆一端，主支撑杆另一端与飞行器连接；主支撑杆沿飞行器机体坐标系y轴方向，纵向飞轮的主惯量轴沿飞行器机体坐标系y轴方向；横向飞轮、斜置飞轮分别安装在各斜向支撑杆端部，与横向飞轮连接的斜向支撑杆与主支撑杆垂直且沿飞行器机体坐标系z轴方向，横向飞轮的主惯量轴沿飞行器机体坐标系z轴方向；与斜置飞轮连接的斜向支撑杆与飞行器机体坐标系的x、y、z轴均成指定的夹角；各结构连接杆与主支撑杆垂直，端部连接飞行器。

所述树状支架还包括支架与飞轮连接接口；横向飞轮、斜置飞轮与斜向支撑杆之间，纵向飞轮与主支撑杆之间通过支架与飞轮连接接口连接；支架与飞轮连接接口为带有螺钉孔的圆盘结构，通过螺钉分别与横向飞轮、斜置飞轮、纵向飞轮连接；

所述树状支架还包括支架与飞行器连接接口；各结构连接杆、主支撑杆通过支架与飞行器连接接口与飞行器连接；支架与飞行器连接接口为带有螺钉孔的圆盘结构，通过螺钉固定在飞行器上。

与斜置飞轮连接的斜向支撑杆与飞行器机体坐标系的x、y、z轴均成54.73°的夹角。

所述树状支架的材料为t800碳纤维环氧树脂基复合材料。

所述连接杆的材料为铝合金。

所述测量棱镜的材料为9cr18不锈钢。

一种三飞轮一体化布局装置的安装调整方法，包括如下步骤：

步骤一、将横向飞轮、斜置飞轮分别安装在树状支架的各斜向支撑杆端部；将纵向飞轮安装在树状支架的主支撑杆一端；

树状支架包括支架本体；支架本体为一体化的树形支架，包括主支撑杆、斜向支撑杆、结构连接杆；与横向飞轮连接的斜向支撑杆与主支撑杆垂直，与斜置飞轮连接的斜向支撑杆与主支撑杆之间呈倾斜角度；各结构连接杆与主支撑杆垂直；

步骤二、安装测量棱镜转接工装；测量棱镜转接工装包括连接杆、测量棱镜；将连接杆一端安装在横向飞轮与斜向支撑杆之间的连接处，将测量棱镜安装在连接杆另一端；

步骤三、将主支撑杆另一端与飞行器连接，将结构连接杆与飞行器连接，使得：主支撑杆沿飞行器机体坐标系y轴方向，纵向飞轮的主惯量轴沿飞行器机体坐标系y轴方向，与横向飞轮连接的斜向支撑杆沿飞行器机体坐标系z轴方向，横向飞轮的主惯量轴沿飞行器机体坐标系z轴方向；

步骤四、使用激光跟踪仪瞄准测量棱镜，对飞轮及树状支架的安装位置进行测量，测量测量棱镜法向与飞行器机体坐标系的夹角θ；调整飞行器与主支撑杆、各结构连接杆的连接螺钉的松紧程度或通过增加垫片，使得θ小于设定值；

步骤五、拆除棱镜转接工装。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)由于常规的飞轮组为分开式布置，3个飞轮及支架所占据的空间大，本发明将三个飞轮在空间上一体化布置，安装在树状支架上，相较于常规分开布局方案更加节约布置空间，实现了在航天飞行器狭小空间内的三飞轮组的布置；

(2)常规的航天飞行器中使用的飞轮支架为铝合金或钛合金，三个飞轮需三个独立的支架，本发明将三个单独的飞轮支架简化为树状支架，且采用更加轻质，高强度的复合材料，支架整体质量更轻；

(3)常规的航天飞行器中的飞轮为单独安装，需要对三个飞轮进行单独安装、测量与调整，所用时间长，且需要进入舱内操作，操作空间狭小，本发明将在飞轮安装在一体化支架上，在舱外对飞轮组进行安装和测量，舱外的操作空间充足，实现支架与飞轮的一体化安装和测量；

(4)常规飞轮需布置在较为开敞的空间内，需要测量光路可达，这些限制了飞轮的布置位置，增大了航天飞行器布局的难度，本发明在飞轮一体化支架上设置测量棱镜转接工装接口，通过转接工装将测量棱镜伸出到舱外，结构简单、质量小、可靠性高，解决了半封闭空间下测量光路可达性问题。

附图说明

图1为飞轮一体化布局及支架方案示意图；

图2为测量棱镜的转接工装示意图；

图3为飞轮主惯量轴的定义；

图4为飞轮支架与飞轮组合体安装示意图

图5为测量棱镜转接工装与支架飞轮组合体连接示意图；

图6为支架与飞轮组在飞行器舱内的测量通路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图3～图6所示，一种三飞轮一体化布局装置，包括：树状支架1、飞轮3；飞轮3包括横向飞轮31、纵向飞轮32、斜置飞轮33；

如图1所示，树状支架1包括支架本体11、支架与飞轮连接接口12、支架与飞行器连接接口13；

支架本体11为树形支架，包括主支撑杆111、斜向支撑杆112、结构连接杆113；纵向飞轮32安装在主支撑杆111一端，主支撑杆111另一端与飞行器连接；主支撑杆111沿飞行器机体坐标系y轴方向，纵向飞轮32的主惯量轴沿飞行器机体坐标系y轴方向；横向飞轮31、斜置飞轮33分别安装在各斜向支撑杆112端部，与横向飞轮31连接的斜向支撑杆112与主支撑杆111垂直且沿飞行器机体坐标系z轴方向，横向飞轮31的主惯量轴沿飞行器机体坐标系z轴方向；与斜置飞轮33连接的斜向支撑杆112与飞行器机体坐标系的x、y、z轴均成54.73°夹角；横向飞轮31、斜置飞轮33与斜向支撑杆112之间，纵向飞轮32与主支撑杆111之间均通过支架与飞轮连接接口12连接，支架与飞轮连接接口12为带有螺钉孔的圆盘结构，通过螺钉连接；各结构连接杆113通过支架与飞行器连接接口13与飞行器连接，各结构连接杆113与主支撑杆111垂直；主支撑杆111通过支架与飞行器连接接口13与飞行器连接，支架与飞行器连接接口13为带有螺钉孔的圆盘结构，通过螺钉连接；

树状支架1材质采用高强度碳纤维t800环氧树脂基复合材料，其静载拉伸强度约为2500mpa，弹性模量约150gpa，通过缠绕、组装共固化成型工艺。支架主支撑杆111长度为400mm，斜向支撑杆112长度为140mm，斜向支撑杆112通过辅助支撑杆形成三角支撑结构，结构连接杆113长度约为220m。连接杆21由铝合金制成，测量棱镜22由9cr18材质的不锈钢材料制成，六个面均为反光面，尺寸为30mm×30mm×30mm。

如图2所示，测量棱镜转接工装2包括连接杆21、测量棱镜22；连接杆21一端安装在横向飞轮31与斜向支撑杆112之间的支架与飞轮连接接口12上，连接杆21另一端安装测量棱镜22，测量棱镜22的相邻且相互垂直的三个面的法线方向分别与飞行器机体坐标系的x、y、z轴平行。

一种三飞轮一体化布局装置的安装调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将横向飞轮31、斜置飞轮33分别安装在树状支架1的各斜向支撑杆112端部；将纵向飞轮32安装在树状支架1的主支撑杆111一端；

树状支架1包括支架本体11；支架本体11为一体化的树形支架，包括主支撑杆111、斜向支撑杆112、结构连接杆113；与横向飞轮31连接的斜向支撑杆112与主支撑杆111垂直，与斜置飞轮33连接的斜向支撑杆112与主支撑杆111之间呈倾斜角度；各结构连接杆113与主支撑杆111垂直；

步骤二、安装测量棱镜转接工装2；测量棱镜转接工装2包括连接杆21、测量棱镜22；将连接杆21一端安装在横向飞轮31与斜向支撑杆112之间的连接处，将测量棱镜22安装在连接杆21另一端；

步骤三、将主支撑杆111另一端与飞行器连接，将结构连接杆113与飞行器连接，使得：主支撑杆111沿飞行器机体坐标系y轴方向，纵向飞轮32的主惯量轴沿飞行器机体坐标系y轴方向，与横向飞轮31连接的斜向支撑杆112沿飞行器机体坐标系z轴方向，横向飞轮31的主惯量轴沿飞行器机体坐标系z轴方向；

步骤四、使用激光跟踪仪瞄准测量棱镜22，对飞轮3及树状支架1的安装位置进行测量，测量测量棱镜22法向与飞行器机体坐标系的夹角θ；调整飞行器与主支撑杆111、各结构连接杆113的连接螺钉的松紧程度或通过增加垫片，使得θ小于设定值；

步骤五、拆除棱镜转接工装2。

树状支架1、三个飞轮3组合体在飞行器中起到可以对飞行器实现三轴稳定系统的零动量控制方式。

树状支架1与飞轮接口12与横向飞轮31、纵向飞轮32、斜置飞轮33之间通过四个螺钉连接，螺钉的拧紧力矩为给定值；主支撑杆111为整个支架的主要支撑结构，飞轮的大部分载荷由主支撑杆承受；斜向支撑杆112起到辅助加强支架结构的作用，结构连接杆113飞轮组的部分载荷传递到结构上，起支撑作用。

测量棱镜转接工装2将飞轮组合体的测量基准转移，使得能够在舱外对其安装精度进行测量和标定。

本发明说明书未详细描述的部分属于本领域技术人员公知常识。