專利名稱：基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置及衛(wèi)星姿態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體控制力矩陀螺的裝置及衛(wèi)星姿態(tài)控制方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有控制力矩陀螺的系統(tǒng)中，陀螺轉(zhuǎn)子需要通過支承裝置安裝在陀螺框架上。支 承裝置負(fù)擔(dān)了陀螺轉(zhuǎn)子的高速自轉(zhuǎn)，并且陀螺力矩都通過支承裝置傳遞至載體。高速自轉(zhuǎn)、 大輸出力矩以及工作壽命對陀螺支承裝置的要求很高。滾珠軸承是最常見的一種支承裝 置，但是由于滾珠與軸承架之間存在摩擦，而在真空環(huán)境下無法進(jìn)行良好的散熱和潤滑，使 得滾珠軸承乃至整星的工作壽命受到很大的影響。磁懸浮軸承因其不接觸性具有響應(yīng)優(yōu) 點(diǎn)，但是磁懸浮軸承的控制存在負(fù)剛度造成的本質(zhì)不確定和模型不確定性問題，電磁場的 非線性特性也導(dǎo)致了復(fù)雜的控制模型與不可避免的模型誤差，磁懸浮軸承在太空中還易受 太空輻射影響，嚴(yán)重阻礙其發(fā)展與應(yīng)用的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有采用滾珠軸承方法控制力矩陀螺由于其散熱性差、潤滑性 差導(dǎo)致的滾珠軸承和整星的安全性差、工作壽命短，以及采用磁懸浮軸承方法控制力矩陀 螺由于易受太空輻射影響整星姿態(tài)控制效果差的問題，從而提供了一種基于液體回路的陀 螺力矩產(chǎn)生裝置及衛(wèi)星姿態(tài)控制方法。基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，它包括環(huán)形剛性管路、一號電機(jī)、二號電機(jī)、 連接管和流體泵，環(huán)形剛性管路環(huán)繞在衛(wèi)星本體的外側(cè)，且所述環(huán)形剛性管路的圓心與衛(wèi) 星本體的中心重合；環(huán)形剛性管路的直徑大于衛(wèi)星本體的體面對角線的長度；以衛(wèi)星本體的中心為原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系OXYZ ；—號電機(jī)位于OZ軸的正半 軸上，所述一號電機(jī)的定子固定在衛(wèi)星本體上；所述一號電機(jī)的力矩輸出軸用于驅(qū)動二號 電機(jī)的定子以O(shè)Z軸為軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，二號電機(jī)的力矩輸出軸的軸線01、與OY軸平行； 所述二號電機(jī)的力矩輸出軸用于驅(qū)動環(huán)形剛性管路以所述軸線01、為軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；連接管位于OZ軸的正半軸上，所述連接管用于連通環(huán)形剛性管路與衛(wèi)星本體內(nèi) 的儲液器；環(huán)形剛性管路內(nèi)充有工質(zhì)液體流；流體泵設(shè)置在環(huán)形剛性管路上，用于驅(qū)動環(huán) 形剛性管路內(nèi)的工質(zhì)液體流流動；—號電機(jī)的力矩輸出軸用于驅(qū)動所述連接管和環(huán)形剛性管路同步以O(shè)Z軸為軸線 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，該連接管與環(huán)形剛性管路的連接處和二號電機(jī)的定子固定連接。衛(wèi)星姿態(tài)控制方法在環(huán)形剛性管路內(nèi)充入工質(zhì)液體流，在環(huán)形剛性管路內(nèi)形成液體回路；采用流體泵控制液體回路產(chǎn)生沿X軸方向的角動量；采用二號電機(jī)驅(qū)動環(huán)形剛性管路控制力矩陀螺沿Y軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿Z軸方向 的陀螺力矩；采用一號電機(jī)驅(qū)動環(huán)形剛性管路控制力矩陀螺沿Z軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿-Y方向的陀螺力矩；采用二號電機(jī)驅(qū)動環(huán)形剛性管路控制力矩陀螺沿-Y軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿-Z軸方 向的陀螺力矩；采用一號電機(jī)驅(qū)動環(huán)形剛性管路控制力矩陀螺沿-Z軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿Y方向的 陀螺力矩；通過流體泵控制環(huán)形剛性管路中的工質(zhì)液體流轉(zhuǎn)速變化，當(dāng)工質(zhì)液體流轉(zhuǎn)速的加 速度沿X軸方向時(shí)，則產(chǎn)生沿X軸方向的力矩；當(dāng)工質(zhì)液體流轉(zhuǎn)速的加速度沿-χ軸方向時(shí)， 則產(chǎn)生沿-X軸方向的力矩；從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的三軸控制?；谝后w回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，它包括一號環(huán)形剛性管路、二號環(huán)形剛性管 路、三號電機(jī)、四號電機(jī)、連接管和兩個流體泵，一號環(huán)形剛性管路和二號環(huán)形剛性管路均 環(huán)繞在衛(wèi)星本體的外側(cè)，且所述一號環(huán)形剛性管路的圓心和二號環(huán)形剛性管路的圓心均與 衛(wèi)星本體的中心重合；一號環(huán)形剛性管路的直徑大于衛(wèi)星本體的體面對角線的長度；二號 環(huán)形剛性管路的直徑大于一號環(huán)形剛性管路的直徑；兩個流體泵分別設(shè)置在一號環(huán)形剛性 管路和二號環(huán)形剛性管路上，分別用于控制一號環(huán)形剛性管路和二號環(huán)形剛性管路內(nèi)流體 的流速；以衛(wèi)星本體為中心建立三維直角坐標(biāo)系OXYZ ；三號電機(jī)位于OZ軸的正半軸上，所 述三號電機(jī)的定子與衛(wèi)星本體固定連接，三號電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出軸用于驅(qū)動一號環(huán)形剛性管 路轉(zhuǎn)子繞OZ軸旋轉(zhuǎn)；四號電機(jī)位于OY軸正半軸上，四號電機(jī)的定子與一號環(huán)形剛性管路固 定連接，所述四號電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出軸用于驅(qū)動二號環(huán)形剛性管路繞OY軸旋轉(zhuǎn)；連接管位于OZ軸的正半軸上，所述連接管用于連通一號環(huán)形剛性管路與衛(wèi)星本 體內(nèi)的儲液器；二號環(huán)形剛性管路與一號環(huán)形剛性管路連通；一號環(huán)形剛性管路和二號環(huán) 形剛性管路內(nèi)充有工質(zhì)液體流；三號電機(jī)的力矩輸出軸通過連接管固定在一號環(huán)形剛性管 路上。有益效果本發(fā)明的環(huán)形剛性管路內(nèi)充入工質(zhì)液體流，從而形成液體回路，不需要 傳統(tǒng)的陀螺框架和滾珠軸承，大大減小了整星的體積和質(zhì)量。由于工質(zhì)液體本身就對旋轉(zhuǎn) 部件有潤滑和散熱作用，因此整星的安全性好、工作壽命長；同時(shí)，由于避免了太空輻射影 響，因此整星姿態(tài)控制效果較好。本發(fā)明尤其適合于內(nèi)部空間受限嚴(yán)格的納皮衛(wèi)星。
圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
一的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
一的平面結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
四的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
四的平面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是圖4的左視圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖2說明本具體實(shí)施方式
，基于液體回路的陀螺力矩 產(chǎn)生裝置，它包括環(huán)形剛性管路2、一號電機(jī)3、二號電機(jī)4、連接管5和流體泵，環(huán)形剛性管路2環(huán)繞在衛(wèi)星本體1的外側(cè)，且所述環(huán)形剛性管路2的圓心與衛(wèi)星本體1的中心重合；環(huán) 形剛性管路2的直徑大于衛(wèi)星本體1的體面對角線的長度；以衛(wèi)星本體1的中心為原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系OXYZ ；—號電機(jī)3位于OZ軸的 正半軸上，所述一號電機(jī)3的定子固定在衛(wèi)星本體1上；所述一號電機(jī)3的力矩輸出軸用于 驅(qū)動二號電機(jī)4的定子以O(shè)Z軸為軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，二號電機(jī)4的力矩輸出軸的軸線01、 與OY軸平行；所述二號電機(jī)4的力矩輸出軸用于驅(qū)動環(huán)形剛性管路2以所述軸線01、為 軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；連接管5位于OZ軸的正半軸上，所述連接管5用于連通環(huán)形剛性管路2與衛(wèi)星本 體1內(nèi)的儲液器；環(huán)形剛性管路2內(nèi)充有工質(zhì)液體流；流體泵設(shè)置在環(huán)形剛性管路2上，用 于驅(qū)動環(huán)形剛性管路2內(nèi)的工質(zhì)液體流流動；一號電機(jī)3的力矩輸出軸用于驅(qū)動所述連接管5和環(huán)形剛性管路2同步以O(shè)Z軸 為軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，該連接管5與環(huán)形剛性管路2的連接處和二號電機(jī)6的定子固定連接。工作原理環(huán)形剛性管路內(nèi)充入工質(zhì)液體流，從而形成液體回路，所述液體回路產(chǎn) 生沿X軸方向的角動量，控制二號電機(jī)4使得液體控制力矩陀螺沿Y軸方向轉(zhuǎn)動時(shí)，將產(chǎn)生 沿Z軸方向的陀螺力矩；控制一號電機(jī)3使得液體控制力矩陀螺沿Z軸方向轉(zhuǎn)動時(shí)，將產(chǎn)生 沿-Y方向的陀螺力矩；控制流體泵使得回路中液體轉(zhuǎn)速變化，將產(chǎn)生沿X軸方向的反作用 力矩。當(dāng)液體控制力矩陀螺系統(tǒng)不處于初始狀態(tài)時(shí)，則需結(jié)合液體回路當(dāng)前位置得出綜合 的控制信號，控制兩個電機(jī)和一個流體泵的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的三軸控制。結(jié)合圖1和圖2所示結(jié)構(gòu)產(chǎn)生角動量的仿真驗(yàn)證對本發(fā)明進(jìn)行說明計(jì)算液體回路的角動量由于液體回路為框型結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，經(jīng)計(jì)算Y軸、Z軸上的轉(zhuǎn)動慣量比X軸 小一個數(shù)量級，且X軸的液體流速較大，故在電機(jī)動作時(shí)，沿0Y，OZ軸產(chǎn)生的角動量Hy，Hz << Hx，液體回路繞其主軸旋轉(zhuǎn)的角動量遠(yuǎn)大于繞其他垂直方向轉(zhuǎn)動的角動量，因此在計(jì) 算角動量時(shí)可僅考慮繞主軸旋轉(zhuǎn)的角動量分量，即
權(quán)利要求
1.基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，其特征是它包括環(huán)形剛性管路O)、一號電機(jī) (3)、二號電機(jī)G)、連接管(5)和流體泵，環(huán)形剛性管路(2)環(huán)繞在衛(wèi)星本體⑴的外側(cè)，且 所述環(huán)形剛性管路O)的圓心與衛(wèi)星本體(1)的中心重合；環(huán)形剛性管路O)的直徑大于 衛(wèi)星本體(1)的體面對角線的長度；以衛(wèi)星本體(1)的中心為原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系OXYZ ； —號電機(jī)(3)位于OZ軸的 正半軸上，所述一號電機(jī)C3)的定子固定在衛(wèi)星本體(1)上；所述一號電機(jī)C3)的力矩輸出 軸用于驅(qū)動二號電機(jī)(4)的定子以O(shè)Z軸為軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，二號電機(jī)(4)的力矩輸出軸的 軸線01、與OY軸平行；所述二號電機(jī)的力矩輸出軸用于驅(qū)動環(huán)形剛性管路O)以所 述軸線01、為軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；連接管( 位于OZ軸的正半軸上，所述連接管( 用于連通環(huán)形剛性管路( 與衛(wèi)星 本體(1)內(nèi)的儲液器；環(huán)形剛性管路O)內(nèi)充有工質(zhì)液體流；流體泵設(shè)置在環(huán)形剛性管路 (2)上，用于驅(qū)動環(huán)形剛性管路O)內(nèi)的工質(zhì)液體流流動；一號電機(jī)(3)的力矩輸出軸用于驅(qū)動所述連接管( 和環(huán)形剛性管路O)同步以O(shè)Z 軸為軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，該連接管( 與環(huán)形剛性管路O)的連接處和二號電機(jī)(6)的定子 固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，其特征在于流體泵為機(jī) 械泵。
3.基于權(quán)利要求1所述的基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置的衛(wèi)星姿態(tài)控制方法，其 特征是它的方法是在環(huán)形剛性管路O)內(nèi)充入工質(zhì)液體流，在環(huán)形剛性管路O)內(nèi)形成液體回路；采用流體泵控制液體回路產(chǎn)生沿X軸方向的角動量；采用二號電機(jī)(4)驅(qū)動環(huán)形剛性管路( 控制力矩陀螺沿Y軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿Z軸 方向的陀螺力矩；采用一號電機(jī)C3)驅(qū)動環(huán)形剛性管路( 控制力矩陀螺沿Z軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿-Y方 向的陀螺力矩；采用二號電機(jī)(4)驅(qū)動環(huán)形剛性管路( 控制力矩陀螺沿-Y軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿-Z 軸方向的陀螺力矩；采用一號電機(jī)C3)驅(qū)動環(huán)形剛性管路( 控制力矩陀螺沿-Z軸方向轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生沿Y方 向的陀螺力矩；通過流體泵控制環(huán)形剛性管路O)中的工質(zhì)液體流轉(zhuǎn)速變化，當(dāng)工質(zhì)液體流轉(zhuǎn)速的加 速度沿X軸方向時(shí)，則產(chǎn)生沿X軸方向的力矩；當(dāng)工質(zhì)液體流轉(zhuǎn)速的加速度沿-X軸方向時(shí)， 則產(chǎn)生沿-X軸方向的力矩；從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的三軸控制。
4.基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，其特征是它包括一號環(huán)形剛性管路(21)、二 號環(huán)形剛性管路(22)、三號電機(jī)(6)、四號電機(jī)(7)、連接管( 和兩個流體泵，一號環(huán)形 剛性管路和二號環(huán)形剛性管路0 均環(huán)繞在衛(wèi)星本體(1)的外側(cè)，且所述一號環(huán)形 剛性管路的圓心和二號環(huán)形剛性管路0 的圓心均與衛(wèi)星本體(1)的中心重合；一 號環(huán)形剛性管路的直徑大于衛(wèi)星本體(1)的體面對角線的長度；二號環(huán)形剛性管路 (22)的直徑大于一號環(huán)形剛性管路的直徑；兩個流體泵分別設(shè)置在一號環(huán)形剛性管路和二號環(huán)形剛性管路0 上，分別用于控制一號環(huán)形剛性管路和二號環(huán)形剛 性管路0 內(nèi)流體的流速；以衛(wèi)星本體(1)為中心建立三維直角坐標(biāo)系OXYZ ；三號電機(jī)(6)位于OZ軸的正半軸 上，所述三號電機(jī)(6)的定子與衛(wèi)星本體(1)固定連接，三號電機(jī)(6)的轉(zhuǎn)矩輸出軸用于驅(qū) 動一號環(huán)形剛性管路轉(zhuǎn)子繞OZ軸旋轉(zhuǎn)；四號電機(jī)(7)位于OY軸正半軸上，四號電機(jī) (7)的定子與一號環(huán)形剛性管路固定連接，所述四號電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)矩輸出軸用于驅(qū)動 二號環(huán)形剛性管路0 繞OY軸旋轉(zhuǎn)；連接管(5)位于OZ軸的正半軸上，所述連接管(5)用于連通一號環(huán)形剛性管路 與衛(wèi)星本體(1)內(nèi)的儲液器；二號環(huán)形剛性管路0 與一號環(huán)形剛性管路連通；一號 環(huán)形剛性管路和二號環(huán)形剛性管路0 內(nèi)充有工質(zhì)液體流；三號電機(jī)(6)的力矩輸 出軸通過連接管(5)固定在一號環(huán)形剛性管路上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，其特征在于它還包括五 號電機(jī)(8)，所述五號電機(jī)(8)位于OZ軸的負(fù)半軸上，所述五號電機(jī)(8)的定子與衛(wèi)星本體 (1)固定連接，五號電機(jī)(8)的轉(zhuǎn)矩輸出軸用于驅(qū)動一號環(huán)形剛性管路繞OZ軸旋轉(zhuǎn)， 五號電機(jī)⑶與三號電機(jī)(6)同步工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，其特征在于它還包括六 號電機(jī)(9)，所述六號電機(jī)(9)位于OY軸負(fù)半軸上，六號電機(jī)(9)的定子與一號環(huán)形剛性管 路固定連接，所述六號電機(jī)(9)的力矩輸出軸用于驅(qū)動二號環(huán)形剛性管路02)繞OY 軸旋轉(zhuǎn)，六號電機(jī)(9)與四號電機(jī)(7)同步運(yùn)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置，其特征在于它還包 括一根連接管(5)，五號電機(jī)(8)的力矩輸出軸通過連接管(5)固定在一號環(huán)形剛性管路 (21)上。
全文摘要
基于液體回路的陀螺力矩產(chǎn)生裝置及衛(wèi)星姿態(tài)控制方法，涉及一種液體控制力矩陀螺的裝置及衛(wèi)星姿態(tài)控制方法。解決了現(xiàn)有方法安全性差、工作壽命短，以及由于易受太空輻射影響導(dǎo)致整星姿態(tài)控制效果差的問題。裝置一、環(huán)形剛性管路環(huán)繞在衛(wèi)星本體的外側(cè)，通過兩個電機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)形剛性管路沿OY軸和OZ軸旋轉(zhuǎn)。其方法通過控制兩個電機(jī)產(chǎn)生沿OY、OZ、-OY、-OZ軸方向的陀螺力矩，通過控制流體泵產(chǎn)生沿OX和-OX軸方向的陀螺力矩，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制。裝置二、兩個環(huán)形剛性管路環(huán)繞在衛(wèi)星本體的外側(cè)，通過兩個電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個環(huán)形剛性管路分別沿OY軸和OZ軸旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明適用于力矩陀螺的控制及衛(wèi)星三軸姿態(tài)控制。
文檔編號B64G1/28GK102101533SQ201110028149
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者單曉微, 孫兆偉, 張世杰, 曹喜濱, 耿云海, 陳雪芹 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)