[发明专利]立方星质量矩双对称布局姿态控制装置

说明书

本发明公开了一种立方星质量矩双对称布局姿态控制装置，包括控制模块、运动机构和固定装置，控制模块包括系统控制板和电机驱动板，4个电机驱动板固定在系统控制板上，通过软排线与直线电机连接，4个直线电机两两平行，垂直对称布置，直线电机和配重块构成运动机构，固定装置限制运动机构运动自由度，并固定直线电机轴，直线电机可以在导轨槽中自由平动，固定装置和控制模块通过四角通孔和螺柱确定相对位置关系。本发明使用双对称的配重块布局方式，减小了本装置占用空间，简化了卫星的运动学和动力学模型，实现执行机构的有效控制。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，具体涉及一种立方星质量矩双对称布局姿态控制装置。

背景技术

随着航天技术的不断发展，各国发射航天器数量越来越多，但是目前立方星平台的轨道机动能力相对姿控、通信等其他平台技术来说略显不足，目前适用于立方星轨道机动任务的推进系统主要有冷气推进、液体推进、固体推进、电推进和太阳帆推进等方式。其中固体推进由于密度冲量高、占用星内的体积较小、结构简单、工作时间短、性能可靠等优势，较适合体积功耗较小的立方星平台使用，随着立方星技术的发展，固体推力器在立方星快速轨道机动、快速离轨以及轨道部署等方面的优势也突显出来，具有广泛的应用前景。

使用固体推力器变轨的缺点是存在较大的推力偏心力矩，容易导致卫星姿态发生翻转，而卫星平台自身的角动量控制或磁控方式吸收扰动力矩的能力不足。针对这个问题，通常对于大型固体发动机来说可以通过设计发动机气动舵、矢量喷嘴、多喷嘴等方式予以解决；而对于小型固体发动机来说更普遍的是使用自旋稳定或采用三轴稳定姿控发动机的方法，但这两种方式均存在一些不足：自旋稳定对于立方星来说解旋难以实现，且由于发动机射流阻尼力矩的存在可能会使得卫星存在章动不稳定现象，而采用三轴稳定姿控发动机的话会大幅增加立方星的复杂程度。

质量矩姿态控制技术的基本原理是利用在载体内部的若干活动质量块的移动来改变质心位置，调整作用在载体上的外力臂来实现载体机动飞行的，与采用三轴稳定的姿控发动机相比，质量矩姿态控制这种方式大大降低了卫星姿态控制的成本和复杂性，而且由于尾部推力较大，活动质量块只需要一个很小的位移就能产生较大的控制力矩来实现姿态的调整。

质量矩技术主要应用与再入弹头和反导拦截弹领域。在再入弹头领域，最早公开报道质量矩控制技术在1984年，美国海军水面战研究中心的科学家Regan等人为了提高再入弹头的末制导精度，设计出一种单自由度活动质量体配平控制器，能够在接近目标时对轴对称弹道式导弹弹道做适度的修正。在反导拦截领域，拦截弹质量矩控制技术也得到了广泛的关注。公开的文献显示2000年美国海军水面战研究中心的科学家Chadwick等人最早将质量矩技术用于反导系统动能拦截的制导控制中，并指出美国已经将质量矩控制技术作为大气层内和大气层外动能拦截武器的控制方法加以研究。

西北工业大学周凤岐教授及其课题组较早地开展了此方面的研究，做了很多有价值的工作，其团队主要以再入飞行器为研究背景，在控制机理和控制律设计方面做了很多工作；哈尔滨工业大学的高长生、李瑞康等人对基于质量矩控制技术再入飞行器的建模、执行机构的总体布局、模型仿射化、控制策略、再入制导控制等关键技术都进行了系统研究，有力推动了我国质量矩控制技术的发展。航天科工集团二院也是我国较早从事该技术的科研单位，以反导拦截弹的质量矩控制为研究背景，偏重于质量矩导弹运动机理和总体参数设计的研究。

目前所设计出的质量矩装置，大都应用在导弹制导方面，体积较大，不适用于大小仅为1U或2U立方星，由于星内空间紧凑，质量矩装置要充分考虑占用体积和功耗，所以需要针对立方星的结构尺寸特点，重新考虑质量矩装置的布局方式，本发明使用的是双对称的配重块布局方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立方星质量矩双对称布局姿态控制装置，适用于轨道机动固体推进工作过程中立方星的姿态控制，不仅能够解决了使用固体推力器变轨时存在较大的推力偏心力矩导致卫星姿态发生翻转的问题，而且还解决在同一平面内垂直对称安装两个直线电机遇到的运动互相干涉的问题。