[发明专利]基于动量轮与反射率控制装置的航天器姿态控制系统

说明书

本发明公开一种基于动量轮与反射率控制装置的航天器姿态控制系统，属于航天器姿态控制技术领域。所述航天器姿态控制系统包括作动子系统、卸载子系统、姿态确定子系统、驱动控制子系统；所述姿态控制系统采用动量轮作为航天器姿态控制的作动机构，并采用可自主调整反射率的发射率控制装置生成卸载力矩，择机对趋于饱和的动量轮实施卸载。依据所述系统方案组件的航天器姿态控制系统，既能够保证姿态控制能力，又能够摆脱对地磁力矩卸载和推力器卸载等传统卸载方法的依赖，使航天器在中高轨以远的太空环境中具备超长期服役条件。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制技术领域，具体涉及一种基于动量轮与反射率控制装置的航天器姿态控制系统。

背景技术

航天器姿态控制系统是航天器的重要组成部分，对航天器顺利执行各类任务至关重要。动量轮是一类机械式的角动量交换装置，能够以较高的精度生成姿态控制力矩，因而在航天器姿态控制系统中被广泛用作作动器。然而，受限于转速的物理极限，当动量轮转速超过某一阈值时，将不再具备完整的控制能力，为姿态控制系统带来隐患。因此，在动量轮即将达到饱和时，须对其角动量进行卸载。常见的卸载方式有地磁力矩卸载、推力器力矩卸载等。

然而，地磁力矩卸载需要较高的地球磁场强度，因而只适用于中低轨道卫星。推力器力矩卸载需要消耗工质，当工质耗尽时无法继续提供卸载力矩。随着未来航天器任务边界的提升和任务时间的增长，传统的卸载方法将无法满足动量轮卸载需求，成为航天事业发展的瓶颈之一。

利用太阳光，是解决上述瓶颈的有效思路之一。太阳光广泛分布于太阳系中，其光子具有动量，通过对太阳光的反射能够获得太阳光压力。反射面所受太阳光压力的大小与反射面的光学特性相关。在航天器受晒面布局一组可以自主调整光学特性的反射率控制装置，即可产生受控的等效太阳光压合力矩。这样的太阳光压力矩本身极为微小，如作为姿态控制作动器，则仅能适用于对姿态控制能力要求较低的航天器上，如日本所研发的IKAROS航天器。虽然太阳光压力矩量级微小，但不受距离和燃料的约束，通过一段时间的累积能够生成可观的总角动量，特别适用于动量轮的卸载。

发明内容

本发明的主要目的是一种基于动量轮与反射率控制装置的航天器姿态控制系统，旨在克服现有的同类系统方案控制能力不足或强烈依赖地磁力矩、推力器力矩的局限性，以拓展航天器的活动空间和任务模式。

为实现上述目的，本发明提出一种基于动量轮与反射率控制装置的航天器姿态控制系统，包括：

作动子系统，安装于航天器本体舱内部，用于实现航天器的姿态机动和姿态稳定控制；

卸载子系统，粘贴于航天器舱外附件表面，能够产生可控的太阳光压力矩，供动量轮组卸载；

姿态确定子系统，包含各类为航天器姿态确定提供信息的传感器；

驱动控制子系统，包含供电、驱动与控制装置，与作动子系统、卸载子系统、姿态确定子系统相连接，能够生成控制指令，为姿态控制系统提供电源和驱动信号；

所述作动子系统由若干动量轮组成，基于角动量守恒原理，通过与航天器交换角动量实现对航天器姿态的控制；

所述卸载子系统由若干薄膜式的反射率控制装置组成，所述反射率控制装置在通电和断电时具有不同的光学特性，多个反射率控制装置能够各自独立调整通断点状态，相互配合，能够在受太阳光照射时产生多种方向和大小的卸载力矩。

优选地，姿态确定子系统由姿态传感器组成，包括星敏感器、太阳敏感器、陀螺仪，为航天器提供实时姿态信息。

优选地，驱动子系统包括电源控制器、驱动电路、星载计算机和连接线缆；所述星载计算机通过连接线缆与电源控制器和驱动电路相连接，电源控制器和驱动电路通过连接线缆与作动子系统、卸载子系统、姿态确定子系统相连接。

优选地，航天器舱外附件表面上所布局的反射率控制装置均呈中心对称分布。