[发明专利]一种快速聚装的模块动量球姿态控制执行机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速聚装的模块动量球姿态控制执行机构，属于航天器姿态控制执行机构领域，也可扩展应用至精密二次指向平台、机械臂关节、结构主动振动控制、姿态测量等领域。

背景技术

迄今为止，绝大部分航天器姿态控制的主要角动量交换式执行机构均采用飞轮(包括零动量反作用轮RW，ReactionWheel和偏置动量轮HW，MomentumWheel)、控制力矩陀螺(CMG，ControlMomentGyroscope)或是其混合机构。其中，在多种可能的CMG技术中，目前实际任务中采用的绝大部分是单框架控制力矩陀螺SGCMG(SGCMG，SingleGimbalCMG)。无论是RW、HW还是SGCMG，均只能提供单自由度控制力矩输出，欲形成完整的三轴姿控能力，需要3套以上执行机构单元形成构形，考虑到故障冗余，实际中一般都采用至少4套执行机构单元，对装置的微小型化增加了难度。执行机构组合特别是SGCMG组合的操纵律复杂且存在奇异点。机构中具有机械式轴承，其摩擦影响使用寿命，并且对转子的最高转速造成了较大限制；机械式轴承还会将转子不平衡及摩擦引起的振动直接传递到航天器本体，不利于减振降噪。此外，无论是RW还是SGCMG，其在航天器上的安装都需要精确的指向对准，为此，需要相应的安装底座安装面配以特定精密的角度，不利于总装集成的模块化快速聚装。

为实现基于单个转子的三轴姿态控制，实现高功能密度比的装置设计，并减少机械式轴承存在的摩擦振动等固有局限，国内外提出了基于电磁悬浮球形电机的新型姿态执行机构方案^[1-7]，并按照各自的习惯，称其为“反作用球”(ReactionSphere)、“球飞轮”(SphericalWheel)、“3D飞轮”(3dimensionalflywheel)等。不失一般性，本文统称其为反作用球，缩写为RS。

纵观现有的RS方案，均采用球形转子与定子之间的反作用电磁力形成控制力矩输出，这种方式有利于降低RS自身角动量对航天器本体姿态动力学的耦合、避免了机械式轴承的摩擦振动等问题，有利于实现高精度的姿态控制。但是，RS自身高速旋转所存储的角动量，难以像CMG那样通过机械轴承的径向压力，以陀螺力矩的方式高效输出，这就对RS的力矩输出能力造成了限制。事实上，无机械摩擦的磁悬浮轴承转子可以较机械式轴承实现更高转速的运转，以此实现更高的角动量存储能力，正是磁悬浮角动量执行机构的重要优势之一，而RS方式却难以利用转子存储的角动量输出陀螺力矩，限制了角动量存储能力优势的发挥。

[1]W.H.Isely,“Magneticallysupportedandtorquedmomentumreactionsphere,”Sep.161986,USPatent4,611,863.

[2]A.Iwakura,S.Tsuda,Y.Tsuda.FeasibilityStudyonThreeDimensionalReactionWheel.InProceedingsofSchl.Eng.TokaiUniv.,Ser.E,vol.33,2008:51-57.

[3]O.Ch′etelat,“Torquerapparatus,”U.S.Patent2010007303,Jan.14,2010.

[4]JohnDoty.Reactionsphereforspacecraftattitudecontrol,wo2010117819a1,2010.

[5]范达,范春石,贺杨,宋坚.一种感应式反作用动量球系统.中国专利，申请号20141030777.

[6]LeiZhou,MohammadImaniNejad,DavidL.Trumper.“MagneticallySuspendedReactionSpherewithOne-axisHysteresisDrive”,InternationalSymposiumonMagneticBearings,Linz,Austria,Aug.11-14,2014.

[7]EmoryStagmer.ReactionSphereforstabilizationandcontrolinthreeaxes.US20140209751al.Jul.31,2014.

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可快速聚装的模块动量球姿态控制执行机构，解决了对转子陀螺力矩的利用，从而输出较大的控制力矩。。

本发明的技术解决方案是：