CN102030112A

CN102030112A - 液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构

Info

Publication number: CN102030112A
Application number: CN 201010549565
Authority: CN
Inventors: 耿云海; 单晓微; 陈雪芹; 张世杰; 曹喜滨; 孙兆伟
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2011-04-27

Abstract

液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，涉及一种卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构。它的太阳能电池板分别铺设在卫星本体的滚动面、俯仰面和偏航面上，形成太阳能电池阵；液体动量轮回路环绕分布在太阳能电池阵的外围；液体动量轮回路内充入液体工质流；N个储存罐固定在卫星本体上，且每个储存罐的液体流出口均通过一个流体驱动装置与液体动量轮回路连通。本发明适用于卫星姿态控制和电能获取。

Description

液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构

技术领域

本发明涉及一种卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构。

背景技术

目前，卫星上普遍将姿态控制和电能获取作为两个独立的分系统加以设计应用。姿态控制依靠刚性飞轮或陀螺作为执行机构，电能获取依靠太阳电池阵。但是，对体积/重量利用率要求越来越高的现代卫星设计，独立分系统相比复用结构占用更多的资源，而刚性飞轮和陀螺由于其回转半径的限制不得不高速旋转，这对使用寿命和安全性都带来不可忽视的威胁。

发明内容

本发明是为了解决现有的卫星姿态控制机构的姿态控制和电能依靠两个独立的机构获取导致卫星运行安全性低以及卫星姿态控制机构使用寿命短的问题，从而提供一种液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构。

液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，它包括太阳能电池板，所述太阳能电池板铺设在卫星本体的滚动面、俯仰面和偏航面上，形成太阳能电池阵；所述太阳能电池阵的中心法线与卫星本体的转动惯量轴线重合；它还包括液体动量轮回路、流体驱动装置和N个储存罐，所述液体动量轮回路环绕分布在太阳能电池阵的边缘，且固定在卫星本体的滚动面、俯仰面和偏航面上；所述液体动量轮回路内充入液体工质流；N个储存罐固定在卫星本体上，且每个储存罐的液体流出口均通过一个流体驱动装置与液体动量轮回路连通，所述N为大于或等于2的正整数。

本发明通过一体化复用执行机构实现了卫星姿态控制机构的姿态控制和电能获取，减小了卫星整体的体积/重量，增加功能密度。并且本发明利用流体灵活性实现卫星姿态的控制，并且能够提高卫星运行的安全性并和增加整星和姿态控制机构的使用寿命，并且具有节约能源的优点。

附图说明

图1是本发明的单轴控制的结构示意图，图2是本发明在卫星本体的滚动面的工作原理示意图，其中标记X_b是卫星本体滚动面的滚动轴；标记Y_b是卫星本体俯仰面的俯仰轴，标记Z_b是卫星本体偏航面的偏航轴，标记V是液体工质流的速度，标记b是太阳电池阵正方形结构边长，标记l_i液体管路液体的回转半径。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，它包括太阳能电池板3，所述太阳能电池板3铺设在卫星本体1的滚动面、俯仰面和偏航面上，形成太阳能电池阵；所述太阳能电池阵的中心法线与卫星本体的转动惯量轴线重合；它还包括液体动量轮回路2、流体驱动装置和N个储存罐，所述液体动量轮回路2环绕分布在太阳能电池阵的边缘，且固定在卫星本体1的滚动面、俯仰面和偏航面上；所述液体动量轮回路2内充入液体工质流；N个储存罐固定在卫星本体1上，且每个储存罐的液体流出口均通过一个流体驱动装置与液体动量轮回路2连通，所述N为大于或等于2的正整数。

本实施方式中在卫星本体的滚动面、俯仰面和偏航面上安装若干储液器，通过增减不同储液器的液量实现整星质量的重新分配，其原理是：由于N个储液罐分布于卫星本体内的不同位置，且系统中总的液体量是一定的，当减少第N个储液罐中液体的存储量时，回路和其他N-1个储液罐的液体含量将增加，从而液体动量轮系统的质量分布发生改变，进而可以依所需控制相应的储液罐液量实现整星质量的重新分配。

本发明一方面，太阳电池阵按照传统方式进行电能的获取；另一方面，驱动液体动量轮回路中的液体工质流沿太阳电池阵的边缘循环流动，将产生指向X_b轴方向的角动量，通过控制液体工质流的速度变化，产生相应的控制力矩，实现卫星的姿态控制。从而实现结构复用和功能优化。以下通过具体的仿真计算说明本发明的原理：

1、计算液体动量轮的角动量：

H_{L} = Σ_{i = 1}^{12} l_{i} M_{i} V

= 8 \times \frac{b}{2} (Abρ) V + 4 \times \frac{3 b}{2} (Abρ) V

= 10 b^{2} (AVρ)

= 2 A_{L} (\frac{π D^{2}}{4} Vρ)

= π A_{L} D^{2} ρV / 2

其中A为管的截面积，A_L为回路围成面积。可见液体动量轮的角动量大小和回路形状无关，只取决于回路围成面积、管的截面积和液体流速。

2、确定相关参数：

对于1×1×1m³的卫星，液体工质参考常温常压下水的密度，即b＝1m，ρ＝1000kg/m³；取D＝0.02，V＝1m/s，则角动量：

H_L≈3.14N·m·S

如果采用齿轮泵驱动液体循环流动，则液体工质流速度和驱动电机转速成正比，则液体工质流的加速度正比于电机的输入电压信号，取：

\overset{\cdot}{V} = 1 m / s^{2}

3、计算所能产生的控制力矩大小

T = {\overset{\cdot}{H}}_{L}

= π A_{L} D^{2} \overset{\cdot}{V} / 2

\approx 3.14 N \cdot m

可见，对于很小的结构参数取值可以得到较大控制力矩，通过增加回路围成面积还可以显著增加液体动量轮的当量转动惯量，于是利用较低的流速和很小的能耗就可以得到很大的姿控力矩。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构的区别在于，它还包括辐射肋片，所述辐射肋片固定在液体动量轮回路2的外侧面。

本实施方式中的辐射肋片，用于将循环流动过程中吸收的星内废热辐射到空间环境中。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构的区别在于，流体驱动装置为机械泵。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构的区别在于，液体工质流为液体。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式三所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构的区别在于，液体工质流为能够流动性的物质。

Claims

1.液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，它包括太阳能电池板(3)，所述太阳能电池板(3)铺设在卫星本体(1)的滚动面、俯仰面和偏航面上，形成太阳能电池阵；所述太阳能电池阵的中心法线与卫星本体的转动惯量轴线重合；其特征是：它还包括液体动量轮回路(2)、流体驱动装置和N个储存罐，所述液体动量轮回路(2)环绕分布在太阳能电池阵的边缘，且固定在卫星本体(1)的滚动面、俯仰面和偏航面上；所述液体动量轮回路(2)内充入液体工质流；N个储存罐固定在卫星本体(1)上，且每个储存罐的液体流出口均通过一个流体驱动装置与液体动量轮回路(2)连通，所述N为大于或等于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，其特征在于它还包括辐射肋片，所述辐射肋片固定在液体动量轮回路(2)的外侧面。

3.根据权利要求1或2所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，其特征在于流体驱动装置为机械泵。

4.根据权利要求3所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，其特征在于液体工质流为液体。

5.根据权利要求3所述的液体动量轮回路结合太阳电池阵实现卫星姿态控制和电能获取的一体化执行机构，其特征在于液体工质流为具有流动性的物质。