一种渐变惯量充液执行机构及对航天器高精度姿态控制的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种航天器高精度姿态控制的方法，针对渐变惯量充液执行机构及其 对航天器高精度姿态控制的方法。
【背景技术】
[0002] 角动量交换执行机构，尤其是反作用轮、动量轮和控制力矩陀螺，作为航天器主动 姿态控制采用的执行机构，已经在工程实际中得到了充分的应用。其中，反作用轮、动量轮 的技术已经很成熟，广泛应用于国内外多种型号卫星的高精度高稳定度姿态控制。常速控 制力矩陀螺由于具有结构简单、可靠性高、系统响应快等优点，已成为工程实际中长寿命航 天器的首选姿态控制执行机构。
[0003] 航天器在轨运行中，反作用轮、动量轮和控制力矩陀螺作为姿态控制执行机构有 可能部分失效，其中失效的原因多是由于机构机械结构方面的缺陷，如电机的死区、功率极 限、振动干扰等等。另一方面，针对喷气系统的贮箱内燃料贮存及稳定性分析的研究自上世 纪60年代就已开始，但是一直以来航天器燃料贮存存在大量的质量冗余和空间浪费，在任 务完成后剩余几十公斤燃料的情况非常普遍，这在一定程度上影响了航天器的有效载荷质 量和空间的占比，并且在很大程度上增大了相互影响和干扰的可能性。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种渐变惯量充液执行机 构及对航天器高精度姿态控制的方法，提高姿态控制过程中，姿态控制执行机构的执行能 力，提高输出力矩覆盖的范围，同时降低转动部件高频转动时由于结构、工艺设计问题带来 的动不平衡、阻力过大等问题，解决的技术问题是利用该执行机构实现航天器大角速度快 速调节和高精度高稳定度控制问题。
[0005] 本发明技术解决方案：一种渐变惯量充液执行机构，包括：固定和安装整个飞轮 结构的真空容器（1)、飞轮轴承（2)、飞轮电机（3)、飞轮（4);飞轮（4)包含固体转子部分 (41)、飞轮壳（42)、充液腔（43)、径向导管（44)和轴向导管（45)、隔栅（46)以及充液阀 (47)、排液阀（48)和隔栅阀（49);真空容器（1)固定飞轮轴承（2)、飞轮电机（3)的位置， 飞轮轴承（2)安装在飞轮（4)的转轴两端，起到固定和支撑飞轮（4)的作用；飞轮电机（3) 与飞轮（4)的转轴配合，起到传动转轴的作用；飞轮充液腔（43)内充有液体工质，通过轴向 导管（45)和径向导管（44)从充液阀（47)注入，通过排液阀（48)排空；飞轮电机⑶的转 速和充液腔（43)内的液体注入和排空根据控制算法的计算进行调节，由隔栅阀（49)、充液 阀（47)和排液阀（48)的开闭工作实现。
[0006] -种利用渐变惯量充液执行机构进行航天器高精度姿态控制的方法，其特征在于 实现步骤如下
[0007] 第一步，建立飞轮充液腔（43)内的各层流面层流附面层方程
[0008]
[0009] \w表示沿飞轮壳（42)腔内壁面的流速，假设附面层内的速度分布Vy=f(Rw)是 一个函数多项式，VLw=aQ+aiRw+a2Rw2+a3Rw3+…，a。，ai，a2,a3…为多项式系数，VRw表示垂直飞 轮壳（42)腔内壁面的流速，Lw表示流动的长度，Rw表示层流面半径，P表示流体密度，p表 示流速变化引起的压力差，v表示流体的粘性，根据附面层的边界条件，由层流附面层方程 可得，在飞轮壳（42)壁面上满足无滑移条件，￥ 1^=0八&=0，在附面层外边界5处，￥^ = dV[M,0 ，且瓦
[0010] 第二步，根据第一步得出的在飞轮壳（42)壁面上VRw= 0,Vb= 0,得到aQ= 0 ;
在附面层外边界S处 得到 S表示附面层的厚 r 度，vf表示层流面的流动速度，则附面层内的流动速度
[0011] 第三步，根据第二步的流动速度
公式，可以得到附面层内流 动速度\w和层流面流动速度Vf不同，V^〈Vf，即附面层内存在流速损失，将流速的损失等效 为惯量的损失，得到以层流面流动速度vf为充液腔（43)等效流速的转动惯量Iwf;
[0012] 第四步，根据第三步得到等效流速的转动惯量Iwf，得到飞轮（4)的角动量hf，hf = IwfPf，表示腔内流体的中心流场绕zw轴的转动角速度，0f与Vf的关系为Vf=Rw0f， 由转动角速度0f与转动惯量Iwf建立航天器在执行机构惯量变化过程中的姿态动力学方 程，得到姿态变化需要执行机构提供的控制力矩T。；
[0013] 第五步，根据上述姿态变化需要执行机构提供的控制力矩T。，考虑电机的摩擦系 数，建立执行机构电机低速控制模型，设计适用于高精度高稳定度控制的执行机构操纵律， 设计执行机构的加减转动惯量开关操纵律系数G与执行机构的转速0f的控制关系，得到 通过调整转动惯量Iwf和转速0f，得到满足高稳定度要求的控制力矩T。的控制方法：
[0014] 0f小于排液临界值时启动排液阀（48)关闭充液阀（47)减小机构转动惯量；
[0015]Pf大于充液临界值时启动充液阀（47)关闭排液阀（48)，同时打开隔栅阀（49)， 提高充液腔（43)内的充液量，使转动惯量Iwf增加，达到要求的Iwf值时，充液阀（47)关闭；
[0016] 在不继续充液的情况下提高转动惯量1",时，排液阀（48)开启，液体流向直径大的 流动槽，使转动惯量Iwf增加；
[0017]实现最大转动惯量^寸，充液阀（47)、隔栅阀（49)均全部开启，使充液腔（43)充 满；
[0018]通过调整转动惯量Iwf和转速Pf，得到满足高稳定度要求的控制力矩T。。本发明 与现有技术相比的优点在于：
[0019] (1)与使用不变惯量的执行机构的仿真结果相比，航天器的姿态参数变化曲线更 加平滑。将指向收敛结果进行对比可以发现，使用变惯量机构后，航天器的最终收敛精度从 0.01°提高到了 〇.〇〇1° ;同时收敛曲线更平滑，收敛的过程也更稳定。
[0020] (2)与使用不变惯量的执行机构的仿真结果相比，本发明有效地避免了控制过程 中的角速度震荡，在使用不变惯量的执行机构产生的震荡区域内，执行机构进入死区的时 间长、死区范围大，这会影响输出力矩的精度。采用本发明的设计后，通过稳定调节转动惯 量，提高小力矩输出情况下的转速，减小电机死区的影响，从而提高了姿态控制精度。
[0021] (3)与使用惯量变化不连续的执行机构的仿真结果相比，本发明在转速降低到规 定值时逐渐改变转动惯量，提高飞轮的转速，使飞轮快速通过死区，降低飞轮在死区运动的 时间。同时，避免了转动惯量的突变造成的执行机构输出波动，提高了高精度高稳定度控制 过程的稳定性。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明渐变惯量执行机构的结构主视图；
[0023] 图2为图1中的A-A剖视图；
[0024]图3为发明渐变惯量执行机构的质量分布不意图；其中a为液体充满，b为外槽充 满，c为内槽充满，d为液体排空；
[0025]图4为本发明渐变惯量执行机构的转速控制变化过程图；其中上图表示安装在航 天器X轴上的执行机构内流动角速度的变化曲线，中图表示安装在航天器Y轴上的执行机 构内流动角速度的变化曲线，下图表示安装在航天器Z轴上的执行机构内流动角速度的变 化曲线。
[0026] 图5为本发明航天器高精度姿态控制的方法控制图；
[0027] 图6为本发明渐变惯量执行机构的航天器姿态控制结果图。
【具体实施方式】
[0028] 为了提高姿态控制过程中，姿态控制执行机构的执行能力，提高输出力矩覆盖的 范围，同时降低转动部件高频转动时由于结构、工艺设计问题带来的动不平衡、阻力过大等 问题，结合喷气机构和角动量交换执行机构的结构和工作特点，本发明提出一种新型的利 用充液调节飞轮转动惯量的执行机构，改进角动量交换执行机构的构型和转子固有概念， 该执行机构通过连续的改变液体工质的充液比，实现转动惯量的连续变化，根据不同的姿 态稳定度、姿态机动能力要求，自主调节执行机构转动惯量，利用新构型、新工质，通过设计 一种新的执行机构避免以往角动量交换执行机构系统转速过高以及磨损严重存在高频振 动现象，并提出一种利用该执行机构实现航天器高精度姿态控制的方法。
[0029] 如图1、2所示，本发明渐变惯量执行机构的结构图，包括：固定和安装整个飞轮结 构的真空容器1、飞轮轴承2、飞轮电机3、飞轮4;飞轮4包含固体转子部分41、飞轮壳42、充 液腔43、径向导管44和轴向导管45、隔栅46以及充液阀47、排液阀48和隔栅阀49 ;真空 容器1固定飞轮轴承2、飞轮电机3的位置，飞轮轴承2安装在飞轮4的转轴两端，起到固定 和支撑飞轮4的作用；飞轮电机3与飞轮4的转轴配合动转轴的作用；飞轮充液腔43内充 有液体工质，通过轴向导管45和径向导管44从充液阀47注入，通过排液阀48排空；控制 机构5对飞轮电机3的转速和充液腔43内的液体注入和排空进行调节，控制隔栅阀49、充 液阀47和排液阀48的开关。渐变惯量飞轮的工作过程包括转速控制和转动惯量控制两方 面，进行转速控制时，飞轮电机3控制飞轮固体转子部分41实现控制方法要求的转速，进行 转动惯量控制时：控制方法要求通过增加充液腔43内液体质量使转动惯量增加时，充液阀 47开启，轴向导管45和径向导管44从充液阀47注入飞轮充液腔43,隔栅阀49根据注入 液体的量由液压作用开启，充液腔43内液体质量增加至控制方法要求的值后充液阀47关 闭；控制方法要求不增加充液腔43内液体质量，但转动惯量增加时，保持充液阀47关闭、排 液阀48关闭，使隔栅阀49开启，液体进入充液腔43直径较大的流动槽内，转动惯量增加； 控制方法要求的转动惯量减小时，开启排液阀48、隔栅阀49,液体排出充液腔43,转动惯量 减小。
[0030] 如图3所示，本发明渐变惯量执行机构可以实现充液和排空的不同质量分布状 态，充液状态下飞轮充液腔内可以根据需要充入要求质量的液体，并且通过各层充液环中 间的阀门，在轮体旋转离心力和压力的作用下液体可以分布在最小半径或最大半径范围 内，满足多惯量变化组合的灵活控制方式；需要排液时排液阀开，排出液体，减小转动惯 量；
[0031] 如图4所示，可以看出，本发明渐变惯量执行机构在进行姿态控制过程中，当执行 机构的转速降低到临界