专利名称：基于液体回路的陀螺力矩产生装置及卫星姿态控制方法
技术领域：
本发明涉及一种液体控制力矩陀螺的装置及卫星姿态控制方法。
背景技术：
现有控制力矩陀螺的系统中，陀螺转子需要通过支承装置安装在陀螺框架上。支 承装置负担了陀螺转子的高速自转，并且陀螺力矩都通过支承装置传递至载体。高速自转、 大输出力矩以及工作寿命对陀螺支承装置的要求很高。滚珠轴承是最常见的一种支承装 置，但是由于滚珠与轴承架之间存在摩擦，而在真空环境下无法进行良好的散热和润滑，使 得滚珠轴承乃至整星的工作寿命受到很大的影响。磁悬浮轴承因其不接触性具有响应优 点，但是磁悬浮轴承的控制存在负刚度造成的本质不确定和模型不确定性问题，电磁场的 非线性特性也导致了复杂的控制模型与不可避免的模型误差，磁悬浮轴承在太空中还易受 太空辐射影响，严重阻碍其发展与应用的。
发明内容
本发明是为了解决现有采用滚珠轴承方法控制力矩陀螺由于其散热性差、润滑性 差导致的滚珠轴承和整星的安全性差、工作寿命短，以及采用磁悬浮轴承方法控制力矩陀 螺由于易受太空辐射影响整星姿态控制效果差的问题，从而提供了一种基于液体回路的陀 螺力矩产生装置及卫星姿态控制方法。基于液体回路的陀螺力矩产生装置，它包括环形刚性管路、一号电机、二号电机、 连接管和流体泵，环形刚性管路环绕在卫星本体的外侧，且所述环形刚性管路的圆心与卫 星本体的中心重合；环形刚性管路的直径大于卫星本体的体面对角线的长度；以卫星本体的中心为原点建立三维直角坐标系OXYZ ；—号电机位于OZ轴的正半 轴上，所述一号电机的定子固定在卫星本体上；所述一号电机的力矩输出轴用于驱动二号 电机的定子以OZ轴为轴线做旋转运动，二号电机的力矩输出轴的轴线01、与OY轴平行； 所述二号电机的力矩输出轴用于驱动环形刚性管路以所述轴线01、为轴线做旋转运动；连接管位于OZ轴的正半轴上，所述连接管用于连通环形刚性管路与卫星本体内 的储液器；环形刚性管路内充有工质液体流；流体泵设置在环形刚性管路上，用于驱动环 形刚性管路内的工质液体流流动；—号电机的力矩输出轴用于驱动所述连接管和环形刚性管路同步以OZ轴为轴线 做旋转运动，该连接管与环形刚性管路的连接处和二号电机的定子固定连接。卫星姿态控制方法在环形刚性管路内充入工质液体流，在环形刚性管路内形成液体回路；采用流体泵控制液体回路产生沿X轴方向的角动量；采用二号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿Y轴方向转动，产生沿Z轴方向 的陀螺力矩；采用一号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿Z轴方向转动，产生沿-Y方向的陀螺力矩；采用二号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿-Y轴方向转动，产生沿-Z轴方 向的陀螺力矩；采用一号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿-Z轴方向转动，产生沿Y方向的 陀螺力矩；通过流体泵控制环形刚性管路中的工质液体流转速变化，当工质液体流转速的加 速度沿X轴方向时，则产生沿X轴方向的力矩；当工质液体流转速的加速度沿-χ轴方向时， 则产生沿-X轴方向的力矩；从而实现卫星姿态的三轴控制。基于液体回路的陀螺力矩产生装置，它包括一号环形刚性管路、二号环形刚性管 路、三号电机、四号电机、连接管和两个流体泵，一号环形刚性管路和二号环形刚性管路均 环绕在卫星本体的外侧，且所述一号环形刚性管路的圆心和二号环形刚性管路的圆心均与 卫星本体的中心重合；一号环形刚性管路的直径大于卫星本体的体面对角线的长度；二号 环形刚性管路的直径大于一号环形刚性管路的直径；两个流体泵分别设置在一号环形刚性 管路和二号环形刚性管路上，分别用于控制一号环形刚性管路和二号环形刚性管路内流体 的流速；以卫星本体为中心建立三维直角坐标系OXYZ ；三号电机位于OZ轴的正半轴上，所 述三号电机的定子与卫星本体固定连接，三号电机的转矩输出轴用于驱动一号环形刚性管 路转子绕OZ轴旋转；四号电机位于OY轴正半轴上，四号电机的定子与一号环形刚性管路固 定连接，所述四号电机的转矩输出轴用于驱动二号环形刚性管路绕OY轴旋转；连接管位于OZ轴的正半轴上，所述连接管用于连通一号环形刚性管路与卫星本 体内的储液器；二号环形刚性管路与一号环形刚性管路连通；一号环形刚性管路和二号环 形刚性管路内充有工质液体流；三号电机的力矩输出轴通过连接管固定在一号环形刚性管 路上。有益效果本发明的环形刚性管路内充入工质液体流，从而形成液体回路，不需要 传统的陀螺框架和滚珠轴承，大大减小了整星的体积和质量。由于工质液体本身就对旋转 部件有润滑和散热作用，因此整星的安全性好、工作寿命长；同时，由于避免了太空辐射影 响，因此整星姿态控制效果较好。本发明尤其适合于内部空间受限严格的纳皮卫星。
图1是本发明具体实施方式
一的结构示意图； 图2是本发明具体实施方式
一的平面结构示意图3是本发明具体实施方式
四的结构示意图； 图4是本发明具体实施方式
四的平面结构示意图； 图5是图4的左视图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1和图2说明本具体实施方式
，基于液体回路的陀螺力矩 产生装置，它包括环形刚性管路2、一号电机3、二号电机4、连接管5和流体泵，环形刚性管路2环绕在卫星本体1的外侧，且所述环形刚性管路2的圆心与卫星本体1的中心重合；环 形刚性管路2的直径大于卫星本体1的体面对角线的长度；以卫星本体1的中心为原点建立三维直角坐标系OXYZ ；—号电机3位于OZ轴的 正半轴上，所述一号电机3的定子固定在卫星本体1上；所述一号电机3的力矩输出轴用于 驱动二号电机4的定子以OZ轴为轴线做旋转运动，二号电机4的力矩输出轴的轴线01、 与OY轴平行；所述二号电机4的力矩输出轴用于驱动环形刚性管路2以所述轴线01、为 轴线做旋转运动；连接管5位于OZ轴的正半轴上，所述连接管5用于连通环形刚性管路2与卫星本 体1内的储液器；环形刚性管路2内充有工质液体流；流体泵设置在环形刚性管路2上，用 于驱动环形刚性管路2内的工质液体流流动；一号电机3的力矩输出轴用于驱动所述连接管5和环形刚性管路2同步以OZ轴 为轴线做旋转运动，该连接管5与环形刚性管路2的连接处和二号电机6的定子固定连接。工作原理环形刚性管路内充入工质液体流，从而形成液体回路，所述液体回路产 生沿X轴方向的角动量，控制二号电机4使得液体控制力矩陀螺沿Y轴方向转动时，将产生 沿Z轴方向的陀螺力矩；控制一号电机3使得液体控制力矩陀螺沿Z轴方向转动时，将产生 沿-Y方向的陀螺力矩；控制流体泵使得回路中液体转速变化，将产生沿X轴方向的反作用 力矩。当液体控制力矩陀螺系统不处于初始状态时，则需结合液体回路当前位置得出综合 的控制信号，控制两个电机和一个流体泵的运动，实现卫星姿态的三轴控制。结合图1和图2所示结构产生角动量的仿真验证对本发明进行说明计算液体回路的角动量由于液体回路为框型结构(如图2所示)，经计算Y轴、Z轴上的转动惯量比X轴 小一个数量级，且X轴的液体流速较大，故在电机动作时，沿0Y，OZ轴产生的角动量Hy，Hz << Hx，液体回路绕其主轴旋转的角动量远大于绕其他垂直方向转动的角动量，因此在计 算角动量时可仅考虑绕主轴旋转的角动量分量，即
权利要求
1.基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征是它包括环形刚性管路O)、一号电机 (3)、二号电机G)、连接管(5)和流体泵，环形刚性管路(2)环绕在卫星本体⑴的外侧，且 所述环形刚性管路O)的圆心与卫星本体(1)的中心重合；环形刚性管路O)的直径大于 卫星本体(1)的体面对角线的长度；以卫星本体(1)的中心为原点建立三维直角坐标系OXYZ ； —号电机(3)位于OZ轴的 正半轴上，所述一号电机C3)的定子固定在卫星本体(1)上；所述一号电机C3)的力矩输出 轴用于驱动二号电机(4)的定子以OZ轴为轴线做旋转运动，二号电机(4)的力矩输出轴的 轴线01、与OY轴平行；所述二号电机的力矩输出轴用于驱动环形刚性管路O)以所 述轴线01、为轴线做旋转运动；连接管( 位于OZ轴的正半轴上，所述连接管( 用于连通环形刚性管路( 与卫星 本体(1)内的储液器；环形刚性管路O)内充有工质液体流；流体泵设置在环形刚性管路 (2)上，用于驱动环形刚性管路O)内的工质液体流流动；一号电机(3)的力矩输出轴用于驱动所述连接管( 和环形刚性管路O)同步以OZ 轴为轴线做旋转运动，该连接管( 与环形刚性管路O)的连接处和二号电机(6)的定子 固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于流体泵为机 械泵。
3.基于权利要求1所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置的卫星姿态控制方法，其 特征是它的方法是在环形刚性管路O)内充入工质液体流，在环形刚性管路O)内形成液体回路；采用流体泵控制液体回路产生沿X轴方向的角动量；采用二号电机(4)驱动环形刚性管路( 控制力矩陀螺沿Y轴方向转动，产生沿Z轴 方向的陀螺力矩；采用一号电机C3)驱动环形刚性管路( 控制力矩陀螺沿Z轴方向转动，产生沿-Y方 向的陀螺力矩；采用二号电机(4)驱动环形刚性管路( 控制力矩陀螺沿-Y轴方向转动，产生沿-Z 轴方向的陀螺力矩；采用一号电机C3)驱动环形刚性管路( 控制力矩陀螺沿-Z轴方向转动，产生沿Y方 向的陀螺力矩；通过流体泵控制环形刚性管路O)中的工质液体流转速变化，当工质液体流转速的加 速度沿X轴方向时，则产生沿X轴方向的力矩；当工质液体流转速的加速度沿-X轴方向时， 则产生沿-X轴方向的力矩；从而实现卫星姿态的三轴控制。
4.基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征是它包括一号环形刚性管路(21)、二 号环形刚性管路(22)、三号电机(6)、四号电机(7)、连接管( 和两个流体泵，一号环形 刚性管路和二号环形刚性管路0 均环绕在卫星本体(1)的外侧，且所述一号环形 刚性管路的圆心和二号环形刚性管路0 的圆心均与卫星本体(1)的中心重合；一 号环形刚性管路的直径大于卫星本体(1)的体面对角线的长度；二号环形刚性管路 (22)的直径大于一号环形刚性管路的直径；两个流体泵分别设置在一号环形刚性管路和二号环形刚性管路0 上，分别用于控制一号环形刚性管路和二号环形刚 性管路0 内流体的流速；以卫星本体(1)为中心建立三维直角坐标系OXYZ ；三号电机(6)位于OZ轴的正半轴 上，所述三号电机(6)的定子与卫星本体(1)固定连接，三号电机(6)的转矩输出轴用于驱 动一号环形刚性管路转子绕OZ轴旋转；四号电机(7)位于OY轴正半轴上，四号电机 (7)的定子与一号环形刚性管路固定连接，所述四号电机(7)的转矩输出轴用于驱动 二号环形刚性管路0 绕OY轴旋转；连接管(5)位于OZ轴的正半轴上，所述连接管(5)用于连通一号环形刚性管路 与卫星本体(1)内的储液器；二号环形刚性管路0 与一号环形刚性管路连通；一号 环形刚性管路和二号环形刚性管路0 内充有工质液体流；三号电机(6)的力矩输 出轴通过连接管(5)固定在一号环形刚性管路上。
5.根据权利要求4所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于它还包括五 号电机(8)，所述五号电机(8)位于OZ轴的负半轴上，所述五号电机(8)的定子与卫星本体 (1)固定连接，五号电机(8)的转矩输出轴用于驱动一号环形刚性管路绕OZ轴旋转， 五号电机⑶与三号电机(6)同步工作。
6.根据权利要求4所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于它还包括六 号电机(9)，所述六号电机(9)位于OY轴负半轴上，六号电机(9)的定子与一号环形刚性管 路固定连接，所述六号电机(9)的力矩输出轴用于驱动二号环形刚性管路02)绕OY 轴旋转，六号电机(9)与四号电机(7)同步运动。
7.根据权利要求5或6所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于它还包 括一根连接管(5)，五号电机(8)的力矩输出轴通过连接管(5)固定在一号环形刚性管路 (21)上。
全文摘要
基于液体回路的陀螺力矩产生装置及卫星姿态控制方法，涉及一种液体控制力矩陀螺的装置及卫星姿态控制方法。解决了现有方法安全性差、工作寿命短，以及由于易受太空辐射影响导致整星姿态控制效果差的问题。装置一、环形刚性管路环绕在卫星本体的外侧，通过两个电机实现环形刚性管路沿OY轴和OZ轴旋转。其方法通过控制两个电机产生沿OY、OZ、-OY、-OZ轴方向的陀螺力矩，通过控制流体泵产生沿OX和-OX轴方向的陀螺力矩，从而实现卫星三轴姿态控制。装置二、两个环形刚性管路环绕在卫星本体的外侧，通过两个电机实现两个环形刚性管路分别沿OY轴和OZ轴旋转。本发明适用于力矩陀螺的控制及卫星三轴姿态控制。
文档编号B64G1/28GK102101533SQ201110028149
公开日2011年6月22日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者单晓微, 孙兆伟, 张世杰, 曹喜滨, 耿云海, 陈雪芹 申请人:哈尔滨工业大学