[发明专利]基于动量轮数据的在轨发动机羽流数据获取方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器姿态和轨道控制技术领域，涉及一种在轨发动机羽流数据获取方法，尤其是基于动量轮数据的羽流获取方法。

背景技术

航天器一般都配置了多种发动机来实现姿态控制和轨道控制，如姿态调整、轨道机动等，发动机工作期间喷射的羽流可能撞击航天器表面产生扰动力和力矩，这将影响航天器姿控精度或轨控精度，甚至产生更严重的影响，如失控。研究表明，要正确评估羽流对航天器的作用，首先需要精确描述发动机真空羽流场。真空羽流场的研究主要有两种方法：数值模拟法和试验研究法。数值模拟法主要针对不同的流动状态建立响应的数学物理模型，并采用与之相适应的计算机数值模拟方法。试验研究法主要是以在地面模拟空间环境羽流试验为主，在轨发动机羽流数据获取技术未见报道。

数值模拟法的精确度依赖数学物理建模和所选数值分析方法的正确性，需要试验验证的支撑，而地面试验模拟环境与航天器在轨实际高真空环境不一致，地面试验模拟环境实现困难。相关文献有：

【1】肖泽娟等，空间发动机羽流场的试验研究，空气动力学学报，2008年12月，26卷(2):480～485。研制了一套地面试验系统，进行模拟100km高空条件下的羽流试验。

【2】程晓莉等，卫星变轨发动机羽流污染的研究，上海航天，2000年第5期：15～18.针对卫星变轨发动机工作时高空污染问题，从分子运动论出发，采用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法对轴对称羽流场进行了数值模拟分析。

【3】唐振宇等，姿控发动机羽流液相污染对航天器影响分析，载人航天，2011年第4期：54～58.针对液体姿控发动机羽流的液相污染问题，开展了文献研究，对液滴形成的成因、危害及研究方法给予了详细说明。

上述相关文献存在的不足是：数值模拟结果只是着重于模拟算法的优化，虽然与国外文献提供的模拟结果进行了比对，但缺少工程试验数据支撑；地面试验方法只是模拟了100km内的空间环境，采用压力传感器等测量设备，而航天器一般运行于300km或以上的高真空环境，空间环境与100km内的不一样，该地面试验条件不满足航天器在轨运行的高真空环境。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种基于动量轮数据的在轨发动机羽流数据获取方法，实现了真实高真空环境下的在轨发动机羽流数据获取。

本发明的技术解决方案是：一种基于动量轮数据的在轨发动机羽流数据获取方法，包括以下步骤：

（1）建立航天器正常三轴稳定姿态，采用动量轮作为三轴控制的执行机构、磁力矩器卸载，姿态敏感器定姿；

（2）确定航天器上参与试验的发动机启控点和喷气时间长度tj，发动机启控前开始记录动量轮和磁力矩器输出的数据，直至喷气完成后航天器进入三轴稳定姿态；

（3）根据步骤（2）记录的动量轮和磁力矩器输出数据，确定发动机喷气产生的羽流干扰力矩。

所述的发动机喷气产生的羽流干扰力矩根据下式确定：

T_di=（H_i1-H_i0）/tj+ΔT_di

其中：T_di为i(i=x,y，z)轴干扰力矩，量纲：N.m;

tj为喷气时间长度，量纲：s。

H_i1为发动机喷气后，航天器姿态恢复到三轴稳定姿态时的i(i=x,y，z)轴动量轮测量角动量，量纲：N.m.s；

H_i0为发动机喷气前，航天器三轴稳定姿态时的i(i=x,y，z)轴动量轮测量角动量，量纲：N.m.s。

ΔT_di为发动机喷气过程中，航天器磁力矩器卸载力矩，量纲：N.m。

所述的航天器磁力矩器卸载力矩根据下式确定：

ΔT_di=(M×B)

其中：M为三轴磁力矩器工作磁矩，量纲：A.m²；

B为地磁强度，量纲：T(特斯拉)。

所述的航天器磁力矩器卸载力矩在试验期间禁止磁力矩器卸载时，ΔT_di=0。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明的测试环境为高真空真实环境，航天器在轨稳态运行，三轴姿态控制采用动量轮控制，除了试验选用的发动机喷气干扰外，没有其它喷气作用力的干扰，比当前技术的羽流分析环境更真实。