201403-天宫一号单框架控制力矩陀螺研制及长寿命转子轴系技术

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1、中国科学:技术科学2014年第44卷第3期:261~268《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文载人飞船与专项技术专题天宫一号单框架控制力矩陀螺研制及长寿命转子轴系技术*魏大忠,李刚,伏蓉,武登云,张激扬北京控制工程研究所,北京100190*E-mail:dzzhong99@aliyun.com收稿日期:2013-01-05;接受日期:2013-02-28国家中长期科技发展规划重大专项资助项目摘要单框架控制力矩陀螺是天宫一号目标飞行器的关键姿态控制执行部件.2011关键词年9月,单框架控制力矩陀螺

2、随天宫一号目标飞行器成功发射,在轨工作平稳、表现出天宫一号目标飞行器色,圆满成功完成了天宫一号姿态控制、交会对接任务、组合体姿态控制等全部在轨任单框架控制力矩陀螺务,进入扩展任务阶段.本文介绍了单框架控制力矩陀螺的任务需求、设计方案,详细阐述了其关键技术——长寿命转子轴系技术的设计与验证情况.天宫一号单框架控制力矩陀螺实现了我国自主研发单框架控制力矩陀螺的首次在轨应用,其设计、研制及长寿命转子轴系技术的攻克与验证,对我国其他型号用单框架控制力矩陀螺设计与研制,具有重要的借鉴意义.1引言的关键项目,其体积、重量与惯量均远远大于其他卫星.根据任务需求,天宫一号在轨期间既要实现大角控制

3、力矩陀螺(CMG,controlmomentgyro)通过度姿态机动,也要进行高精度的姿态控制以及交会高速旋转的转子获得一定的角动量,并通过改变角对接后组合体的姿态控制,其控制难度与复杂度是动量的方向对外输出控制力矩,具有输出力矩大、力其他卫星无法比拟的.[1,2]矩连续可调、精度高、寿命长等优点.为了实现天宫一号以及组合体的姿态控制与姿与传统飞轮相比,控制力矩陀螺的输出力矩远态机动的控制需求,天宫一号采用6套单框架控制力大于飞轮的输出力矩(通常在数百倍以上),具有较高矩陀螺作为主要的姿态控制执行机构,并在任务期的能效比;与喷气推力器相比,控制力矩陀螺既能提[3]内不间断工作以对

4、外输出控制力矩.供大的控制力矩,又能精确、连续地输出力矩,并且不消耗燃料.因此对于大型长寿命航天器,控制力矩2控制力矩陀螺工作原理陀螺是最为理想的姿态控制执行机构.天宫一号目标飞行器是我国载人航天二期工程控制力矩陀螺作为姿控系统的执行部件,其工引用格式:魏大忠,李刚,伏蓉,等.天宫一号单框架控制力矩陀螺研制及长寿命转子轴系技术.中国科学:技术科学,2014,44:261268WeiDZ,LiG,FuR,etal.DesignofSGCMGandlongliferotorbearingsystemtechnologyinTiangong-1(inChinese).SciSinTe

5、ch,2014,44:261–268,doi:10.1360/092014-18魏大忠等:天宫一号单框架控制力矩陀螺研制及长寿命转子轴系技术作原理是通过自身的高速旋转,形成一定的角动量,表1单框架控制力矩陀螺主要指标与飞行器构成一个总成角动量守恒的系统.假定飞功能和性能指标实现情况行器本身的角动量为HS,转子的角动量为HR,则飞最大输出力矩20Nm行器系统的总成角动量为角动量200NmsHHH.框架角测量分辨率2.5′TSR当控制力矩陀螺转子的角动量方向发生变化时,框架角测量精度15′(3)飞行器将会做出一定的角动量变化来维持总成角动框架转角范围180,可回转启

6、动时间小于90min量的守恒.控制方式框架角速度控制设飞行器相对于惯性空间的角速度为s,转子发射时框架角位置锁定功能可在任意固定位置锁定相对于飞行器坐标系的角速度为R,作用在飞行器输出力矩动态响应2Hz上的外力矩为M,则角动量稳定性优于1‰ddHHdHTRSM,控制力矩陀螺线路的空载功耗<12Wdddttt控制力矩陀螺的稳态功耗<60WdHddHHSRR控制力矩陀螺的启动功耗<130WMM(),HSRRdddttt重量(不含线路)47kg其中对CMG来说,表示转子角动量大小变化的量在轨寿命＞2年dHR/dt=0,只有表示转子角动量方向变化的量(S+

7、R)HR,因此上式变为dHSdHR陀螺设计过程中遵循了如下原则.MM()H.SRRddtt1)组件化和模块化设计.当CMG的输出力矩与外力矩相等时,就可保持星体2)高可靠性.的姿态稳定不变.CMG的输出力矩与框架角速度成3)轻质量.正比,因而具有输出力矩大的特点,这正是控制力矩4)低功耗.陀螺的优势所在.虽然在结构和控制方法上比惯性5)结构简单而紧凑.飞轮复杂的多,但避免了改变角动量大小所伴随的6)低摩擦力矩和力矩波动.高功耗问题,从而实现了以较低的功率消耗获得