基于泵式流体回路的小卫星姿控∕热控一体化执行机构设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnautiCaSinicaJan．252012V01．33No．1147．155ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)01—0147-09基于泵式流体回路的小卫星姿控／热控一体化执行机构设计耿云海，单晓微*，陈雪芹，张世杰哈尔滨工业大学卫星技术研究所，黑龙江哈尔滨150001摘要：主要研究了小卫星姿控／热控一体化执行机构的设计

2、问题。首先，根据流体回路中液体流速变化对小卫星产生力矩实现姿态控制、液体流动吸／散废热实现热控制的原理．提出一种姿控／热控一体化执行机构设计方案。然后针对该设计方案，利用以电机转速为变量的流体回路内压强和电磁力矩方程，推导了一体化执行机构姿控力矩模型；利用散热量随流体回路流速的变化，建立了一体化执行机构热控模型。最后，针对某小卫星设计了基于姿控／热控一体化执行机构的闭环控制系统，并针对该一体化执行机构设计了一种姿控／热控解耦算法，对其姿控／热控能力进行数学仿真验证，仿真结果证明了该一体化执行机构的有效性

3、。关键词：航天工程；卫星；控制系统综合；姿控／热控一体化系统；泵式流体回路；液体动量控制器；流体控制；齿轮泵中图分类号：V448．2文献标识码：A现代小卫星设计同传统大卫星设计相比，在设计概念和结构形式上有重大突破。需要打破传统卫星分系统的物理界限，实现小卫星系统功能的集成等目标，而部件的多功能化是有效提高卫星功能密度的技术途径。随着星载电子系统集成度的逐步提高，小卫星(特别是微纳卫星)热流密度显著增加，对热控系统提出了更为苛刻的要求，使用流体回路冷却系统为解决高热流密度的散热问题提供了一条可行的技术途

4、径。同时，由于冷却系统中工质的流动会产生角动量，根据角动量守恒原理，通过冷却系统中流体和卫星之间的角动量交换可实现小卫星的姿态控制。因此，设计基于流体回路冷却系统的小卫星姿控／热控一体化系统不失为一种解决卫星微型化和散热问题的新途径和新方法。国际上对小卫星姿控／热控一体化系统的研究早在20世纪80年代由NASA提出。May—nardLl]在1988年撰写的专利中详细地阐述了液体动量控制器(FluidicMomentumController，FMC)的概念及其多种扩展功能的潜在优势。目前，国内外已有大量学

5、者在进行FMC系统的相关研究[2‘7]。先后有一些学校试图制造样机来证明基于泵式流体回路的FMC对卫星进行姿态控制的可行性，其中比较成功的是2004年美国FLOAT团队进行的失重飞行试验[8]，但该研究没有公开泵式流体回路的系统模型。Kumar[93将FMC用于重力梯度稳定卫星的半主动控制，推导了液体动量环系统的阻尼力矩及卫星姿态控制的线性化方程，但该模型不适用于主动姿态控制。马来西亚博特拉大学和德国德累斯顿工业大收稿日期：2011．04．27；退修日期：2011-05-16；录用日期：2011-07．

6、20；网络出版时间：20”·08-1011：1B网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．20110810．1118．004htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110810．1118．004基金项目：阚家“863”计划(2010AA7020101)l中国博士后科学基金(20090450126)*通讯作鲁．Tel．10451-86402357-8503E-maillshanxw—hit@163．com摹I罱格式lGengYH．ShahXW。ChenXQ．

7、etal。Designofacombinedattitudeandthermalcontrolsystemforsmalls8tellitesbasedOftme—chanically-pumpedflu／d／oop?ActaAeronauticaetAstronauticaSin／ca．2012．33(1)I147-155．歇云海。单晓徽。睬

8、芹t等．基f幕式漉体回路的小li姿控／热控一体亿执行扼梅设计．航空学报．2012．33(

9、)

10、147-155．航空学报Jan．252012VoI33No．1学联

11、合提出了姿控／热控组合系统(CombinedAtti—tudeandThermalControlSystem，C艄)[10-lH的概念，通过在电磁场中控制闭合环形热管中的流体，实现温度和姿态的调整。建立了分别由电磁泵驱动和热电效应驱动的CATCS数学模型，但前者永磁体的存在对卫星其他磁敏感部件具有较大影响，后者利用热电效应控制精度很低，且2种构型提供的控制力矩都比较有限。相比传统系统，机械泵式流体回路能够沿卫星外围安装，具有较大的回转半径，