立方星质量矩双对称布局姿态控制装置的制作方法

本发明属于航天器姿态控制领域，具体涉及一种立方星质量矩双对称布局姿态控制装置。

背景技术

随着航天技术的不断发展，各国发射航天器数量越来越多，但是目前立方星平台的轨道机动能力相对姿控、通信等其他平台技术来说略显不足，目前适用于立方星轨道机动任务的推进系统主要有冷气推进、液体推进、固体推进、电推进和太阳帆推进等方式。其中固体推进由于密度冲量高、占用星内的体积较小、结构简单、工作时间短、性能可靠等优势，较适合体积功耗较小的立方星平台使用，随着立方星技术的发展，固体推力器在立方星快速轨道机动、快速离轨以及轨道部署等方面的优势也突显出来，具有广泛的应用前景。

使用固体推力器变轨的缺点是存在较大的推力偏心力矩，容易导致卫星姿态发生翻转，而卫星平台自身的角动量控制或磁控方式吸收扰动力矩的能力不足。针对这个问题，通常对于大型固体发动机来说可以通过设计发动机气动舵、矢量喷嘴、多喷嘴等方式予以解决；而对于小型固体发动机来说更普遍的是使用自旋稳定或采用三轴稳定姿控发动机的方法，但这两种方式均存在一些不足：自旋稳定对于立方星来说解旋难以实现，且由于发动机射流阻尼力矩的存在可能会使得卫星存在章动不稳定现象，而采用三轴稳定姿控发动机的话会大幅增加立方星的复杂程度。

质量矩姿态控制技术的基本原理是利用在载体内部的若干活动质量块的移动来改变质心位置，调整作用在载体上的外力臂来实现载体机动飞行的，与采用三轴稳定的姿控发动机相比，质量矩姿态控制这种方式大大降低了卫星姿态控制的成本和复杂性，而且由于尾部推力较大，活动质量块只需要一个很小的位移就能产生较大的控制力矩来实现姿态的调整。

质量矩技术主要应用与再入弹头和反导拦截弹领域。在再入弹头领域，最早公开报道质量矩控制技术在1984年，美国海军水面战研究中心的科学家regan等人为了提高再入弹头的末制导精度，设计出一种单自由度活动质量体配平控制器，能够在接近目标时对轴对称弹道式导弹弹道做适度的修正。在反导拦截领域，拦截弹质量矩控制技术也得到了广泛的关注。公开的文献显示2000年美国海军水面战研究中心的科学家chadwick等人最早将质量矩技术用于反导系统动能拦截的制导控制中，并指出美国已经将质量矩控制技术作为大气层内和大气层外动能拦截武器的控制方法加以研究。

西北工业大学周凤岐教授及其课题组较早地开展了此方面的研究，做了很多有价值的工作，其团队主要以再入飞行器为研究背景，在控制机理和控制律设计方面做了很多工作；哈尔滨工业大学的高长生、李瑞康等人对基于质量矩控制技术再入飞行器的建模、执行机构的总体布局、模型仿射化、控制策略、再入制导控制等关键技术都进行了系统研究，有力推动了我国质量矩控制技术的发展。航天科工集团二院也是我国较早从事该技术的科研单位，以反导拦截弹的质量矩控制为研究背景，偏重于质量矩导弹运动机理和总体参数设计的研究。

目前所设计出的质量矩装置，大都应用在导弹制导方面，体积较大，不适用于大小仅为1u或2u立方星，由于星内空间紧凑，质量矩装置要充分考虑占用体积和功耗，所以需要针对立方星的结构尺寸特点，重新考虑质量矩装置的布局方式，本发明使用的是双对称的配重块布局方式。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种立方星质量矩双对称布局姿态控制装置，适用于轨道机动固体推进工作过程中立方星的姿态控制，不仅能够解决了使用固体推力器变轨时存在较大的推力偏心力矩导致卫星姿态发生翻转的问题，而且还解决在同一平面内垂直对称安装两个直线电机遇到的运动互相干涉的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种立方星双对称质量矩姿态控制装置，通过四角通孔和螺柱实现质量矩装置在立方星内部的位置固定；其主体部分占用100mm×100mm×40mm的空间，所述立方星质量矩姿态控制装置包括控制模块、运动机构和固定装置，运动机构固定在固定装置的顶面，控制模块固定在固定装置的正上方，且控制模块位于运动机构的正上方。

所述控制模块包括系统控制板、4个电机驱动板和4个直线电机接插件，4个电机驱动板设置在系统控制板顶面，通过插针引脚连接，4个直线电机接插件对称焊接在系统控制板的底面，与运动机构连接。

所述运动机构包括4根直线电机轴、4个直线电机外壳、两个相同的第一配重块和两个相同的第二配重块；每根直线电机轴6上套有一个直线电机外壳，相邻的两根直线电机轴之间存在高度差，4根直线电机轴投影在水平面上构成方形，对称的两根直线电机轴高度相等，两个相同的第一配重块固定在高度高的两个直线电机外壳底部，两个相同的第二配重块固定在高度低的两个直线电机外壳底部，第一配重块和第二配重块底部均设有凸台，使得第一配重块和第二配重块能够沿固定装置滑动。

所述第一配重块包括第一u形卡块和第一滑块，第一u形卡块的开口端与直线电机外壳固连，第一滑块固定在第一u形卡块底部中心，凸台在第一滑块底部中心，凸台沿固定装置滑动。

所述第二配重块包括第二u形卡块，第二u形卡块的开口端与直线电机外壳固连，凸台沿固定装置滑动。

所述固定装置包括底座、4根螺柱和4个安装座，所述底座包括4个导轨槽和4个限位块，底座12整体为方形框架，四个限位块位于框架的四个角，通过导轨槽将相邻的两个限位块连接，4个安装座分别固定在4个限位块顶面，直线电机轴固定在相邻的两个限位块上，直线电机轴的两端分别插入安装座的轴通孔内，每个通孔内均有紧固螺纹孔用于紧固轴端；第一配重块、第二配重块分别沿4个导轨槽滑动，导轨槽限制了直线电机外壳的转动，4根螺柱的底部分别对应固定在限位块的顶面，控制模块固定在4根螺柱的顶面，螺柱对控制模块起到支撑固定作用。

每个直线电机接插件与其对应的直线电机外壳在同一垂直平面内，以减小第一配重块、第二配重块与导轨槽之间的摩擦力。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明占用体积小、完全符合立方星小型化、轻量化要求，减少对其他系统质量和空间的限制，提高立方星的功能密度。

（2）本发明采用双对称的配重块布局方式，实现配重块在卫星质心平面的自由平动，避免了在同一水平面内垂直对称安装两个直线电机遇到的运动互相干涉的问题。

（3）本发明采用配重块区别设计，保证4个配重质心与卫星质心在同一水平面内，极大简化了卫星的运动学和动力学模型。

（4）本发明将直线电机与电机接插件布置在同一垂直面上，避免了连接直线电机的软排线对直线电机产生侧向力和转动力矩，减小了配重块运动时与导轨槽之间的摩擦力，减少运动过程中的能量消耗。

（5）本发明底座上设计导轨槽，避免了直线电机相对于卫星本体的转动，限制运动机构为单自由度平动，实现执行机构的有效控制。

附图说明

图1是本发明立方星质量矩装置整体三维结构图。

图2是本发明立方星质量矩装置立体结构爆炸示意图。

图3是本发明立方星质量矩装置控制模块俯视图。

图4是本发明立方星质量矩装置运动机构立体结构仰视图。

图5是本发明立方星质量矩装置固定装置立体结构主视图。

图6是本发明立方星质量矩装置安装关系爆炸示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2和图6，一种立方星双对称质量矩姿态控制装置，其主体部分占用100mm×100mm×40mm的空间，通过四角通孔和螺柱实现质量矩装置在立方星内部的位置固定。

所述立方星质量矩姿态控制装置包括控制模块1、运动机构2和固定装置3，运动机构2固定在固定装置3的顶面，控制模块1固定在固定装置的正上方，且控制模块1位于运动机构2的正上方。

结合图3，所述控制模块1包括系统控制板5、4个电机驱动板4和4个直线电机接插件20，4个电机驱动板4设置在系统控制板5顶面，通过插针引脚连接，系统控制板5四周分布多个姿控系统接插件14，通过姿控系统接插件14与卫星其它系统连接，系统控制板5上四角有4个第一通孔13起到定位和固定作用，4个直线电机接插件20对称焊接在系统控制板5的底面，与运动机构2的直线电机外壳7连接。

结合图4，运动机构2包括4根直线电机轴6、4个直线电机外壳7、两个相同的第一配重块8和两个相同的第二配重块9；每根直线电机轴6上套有一个直线电机外壳7，相邻的两根直线电机轴6之间存在高度差，4根直线电机轴6投影在水平面上构成方形，对称的两根直线电机轴6高度相等，两个相同的第一配重块8固定在高度高的两个直线电机外壳7底部，两个相同的第二配重块9固定在高度低的两个直线电机外壳7底部，第一配重块8和第二配重块9底部均设有凸台，使得第一配重块8和第二配重块9能够沿固定装置3滑动。

所述第一配重块8包括第一u形卡块和第一滑块，第一u形卡块的开口端与直线电机外壳7固连，第一滑块固定在第一u形卡块底部中心，凸台固定在第一滑块底部中心，凸台在导轨槽16内滑动。

所述第二配重块9包括第二u形卡块，第二u形卡块的开口端与直线电机外壳7固连，凸台固定在第二u形卡块底部中心，凸台在导轨槽16内滑动。

所述运动机构2的运动是直线电机外壳7与第一配重块8、第二配重块9在各自直线电机轴6方向上的单自由度平动，电机平动范围受到直线电机轴6长度的限制。螺纹孔15用于将第一配重块8、第二配重块9固定在对应的直线电机外壳7上。在第一配重块8、第二配重块9上设计凸台使其在导轨槽16上运动，避免了直线电机外壳7相对于卫星本体的转动，限制运动机构为单自由度平动，实现执行机构的有效控制。由于相邻直线电机轴6安装存在高度差，故第一配重块8、第二配重块9区别设计使配重质心在同一水平面内。

结合图5，固定装置3包括底座12、4根螺柱10和4个安装座11，所述底座12包括4个导轨槽16和4个限位块19，底座12整体为方形框架，四个限位块19位于框架的四个角，通过导轨槽16将相邻的两个限位块19连接，4个安装座11通过螺栓分别固定在4个限位块19顶面，直线电机轴6固定在相邻的两个限位块19上，直线电机轴6的两端分别插入安装座11的轴通孔18内，每个通孔18内均有紧固螺纹孔17用于紧固轴端。第一配重块8、第二配重块9分别沿4个导轨槽16滑动，导轨槽16限制了直线电机外壳7的转动，4根螺柱10的底部分别对应固定在限位块19的顶面，控制模块1通过第一通孔13固定在4根螺柱10的顶面，螺柱10对控制模块1起到支撑固定作用。

每个直线电机接插件20与其对应的直线电机外壳7在同一垂直平面内，以减小第一配重块8、第二配重块9与导轨槽16之间的摩擦力。

工作说明

本发明所述的一种立方星质量矩双对称布局姿态控制装置，控制模块1中的系统控制板5接受来自姿控计算机的控制信号，并向对应的电机驱动板4发送控制信号，电机驱动板4通过电机接插件20及其软排线与运动机构2中对应的直线电机外壳7连接，由此实现装置运动的控制线路。

本发明安装于立方星质心平面，在立方星变轨机动之前，利用电机内部阻尼将直线电机外壳7和第一配重块8、第二配重块9在直线电机轴6上的位置固定，本装置不影响立方星正常在轨任务。当需要变轨机动时，首先固体推进器工作，则不可避免的出现推力偏心导致立方星翻转，此时姿态敏感器测量得出姿态偏移量，通过姿态控制算法计算得出相应的直线电机外壳7在直线电机轴6上位置控制信号，实时控制直线电机外壳7和第一配重块8、第二配重块9的位置，从而调整立方星的质心位置，实现立方星姿态的实时修正。

综上所述，本发明的立方星双对称质量矩姿态控制装置体积小，质量轻，完全符合立方星对离轨装置小型化、轻量化要求，其模块化，独立化也不会影响其他系统的运作，并且没有对其他子系统的寿命提出更高要求。此外，本发明采用双对称的配重块布局方式，实现第一配重块8、第二配重块9在卫星质心平面的自由平动，避免了在同一水平面内垂直对称安装两个直线电机遇到的运动互相干涉的问题。同时，本发明采用第一配重块8、第二配重块9区别设计，保证第一配重块8、第二配重块9质心与卫星质心在同一水平面内，极大简化了卫星的运动学和动力学模型。而且，本发明底座12上设计导轨槽16，避免了直线电机外壳7相对于卫星本体的转动，限制机构运动为单自由度平动，实现执行机构的有效控制。