CN102079389A - 一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，分为星上固定部分和活动耗能部分；星上固定部分包括：强力磁铁、隔磁外壳；隔磁外壳上设有耗能弹簧固支点；两块强力磁铁正负极正对固定在隔磁外壳上，使形成的磁场与黏性液体管垂直，小铁球位于垂直点处；隔磁外壳固定于星体上；活动耗能部分包括：耗能弹簧、固支杆、内部重力梯度杆、黏性液体管及液体管固支架、小铁球；两耗能弹簧分别通过耗能弹簧固支点固定在隔磁外壳上；固支杆通过耗能弹簧连接在隔磁外壳上；内部重力梯度杆垂直固定在固支杆上，两端用不同的配重球形成内部重力梯度稳定；黏性液体管通过液体管固支架与固支杆垂直固定，小铁球置于黏性液体管内。

Description

一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器
技术领域
本发明涉及一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，是一种可以用做重力梯度稳定卫星的被动姿态控制阻尼器，属于航天器姿态控制领域。
背景技术
从20世纪80年代美国军方提出了现代小卫星的概念以来，现代微小卫星技术发展非常迅速，微小卫星是目前航天器发展的一个重要方向。现代微小卫星具有重量轻、性能好、研制周期短、造价低等优点。作为现代微小卫星关键部分，姿态控制系统需具有结构简单、质量轻、工作时间长和可靠性高的特点。被动姿态控制方式常常被选用。
根据国外航天器已付诸应用的被动姿控阻尼器的资料，常用的被动姿态控制阻尼器主要分为两种：一种是章动阻尼器，用来抑制或阻尼在星箭分离或其他时刻受到外力矩干扰而产生章动的自旋稳定卫星；一种是天平动阻尼器，其功能是消耗重力梯度卫星的天平动能量，以达到稳定卫星姿态、提高重力梯度稳定卫星对地指向精度的目的。典型的被动章动阻尼器主要有涡流阻尼器、黏性环阻尼器、摆式阻尼器和管-球型阻尼器，天平动阻尼器主要有磁滞棒阻尼器、耗能弹簧阻尼器、黏性流体球形阻尼器、管-球型阻尼器以及磁悬浮球套球阻尼器。
各种姿态控制阻尼器虽然结构简单，但是材料选取、制作工艺及安装精度要求很高，目前国外卫星应用较多。国外已研制成功多种被动姿态控制阻尼器，如：1958年先驱者1月球探测器采用了水银环阻尼器，这是美国应用于空间计划的第一个章动阻尼器；小型天文卫星(SAS)系列使用了摆式涡流阻尼器；诺斯罗普格鲁曼公司-空间技术中心发明了0.8mm-1.6mm直径铅粒的颗粒型阻尼器；ESRO-II和ESRO-IV以及HEOS-1和HEOS-2等卫星都曾用过管球型黏性液体阻尼器；亚利桑那大学卫星-1(asusat-1)采用了一种新型的重力梯度球型阻尼器。我国在被动姿控阻尼器方面使用较少，中国气象卫星FY-2采用了荷兰Urenco公司的黏性液体阻尼器，剩余章动角0.5分，中国科学试验卫星SJ-2和中国通信卫星DFH-2曾使用管球型被动姿控阻尼器。
本发明研制了一种采用耗能弹簧与管球型结合的天平动阻尼器。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，它是一种结构简单、安全可靠、质量轻、效果好，用于微小型重力梯度稳定卫星的姿控阻尼器。它既能克服传统管球型阻尼器不能有效耗散振动能量的缺点，又能克服耗能弹簧对微小角加速度不敏感的缺点。本发明不仅有效的降低了星箭分离初始阶段的角加速度，减小对星体系统的冲击，而且可最大限度地消耗卫星重力梯度稳定阶段天平动能量。
本发明的技术方案如下：见图1，本发明是一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，该阻尼器可分为两个主要部分：星上固定部分和活动耗能部分。所述星上固定部分包括：强力磁铁、隔磁外壳；所述的隔磁外壳上设有耗能弹簧固支点；两块强力磁铁正负极正对固定在隔磁外壳上，使形成的磁场与黏性液体管垂直，小铁球位于垂直点处；隔磁外壳固定于星体上。
所述活动耗能部分包括：耗能弹簧、固支杆、内部重力梯度杆、黏性液体管及液体管固支架、小铁球；两耗能弹簧分别通过耗能弹簧固支点固定在隔磁外壳上；固支杆通过耗能弹簧连接在隔磁外壳进而连接在星体上，耗能弹簧可以为螺旋弹簧或扭簧；内部重力梯度杆垂直固定在固支杆上，两端用不同的配重球形成内部重力梯度稳定；黏性液体管通过液体管固支架与固支杆垂直固定，小铁球置于黏性液体管内。
该螺旋弹簧采用直径0.2-0.4mm的铍铜丝，螺旋外径为4-6mm。若采用扭簧需要用II类弹簧钢丝，直径0.1-.02mm，外径为4-6mm。
该固支杆为直径8-12mm的阶梯杆，长为60-80mm。
该内部重力梯度杆为直径12-20mm的阶梯杆，长80-120mm，两端固定有配重球。
该黏性液体采用二甲基硅油，【CAS号】63148-62-9，运动粘度100±10，可在-50℃～180℃正常工作。
该黏性液体管采用外径6-9mm塑胶管，中段为直管，两端设有伸缩螺纹用以热膨胀补偿。
该小铁球为外径5-8mm的小钢珠。
该强力磁铁采用航空航天常用的钐钴磁铁，具有较强的抗腐蚀性、抗氧化性和抗高低温性，外形为半径6mm，厚3mm的圆片。
该隔磁外壳采用2.5mm厚的80％的镍合金，内有电磁密封衬垫。
本发明一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其具体安装使用如下：所述隔磁外壳与卫星星体固连，对于重力梯度杆稳定卫星应该固连在距离旋转中心较远的地方。耗能弹簧一端固定在隔磁外壳上，一端固定在固支杆上，两个耗能弹簧将固支杆固定在隔磁外壳上，使固支杆的方向垂直于天平动平面，且与隔磁外壳底面平行。固支杆上依次置有内部重力梯度杆与黏性液体杆固定支架。内部重力梯度杆为阶梯杆，杆两端分别通过螺纹固定有重为10-80g的配重球，使其质心位置位于1/5左右，此处阶梯杆直径为20mm，通过M3的螺钉与固支杆固连，连接位置为质心位置。内部重力梯度杆方向与固支杆垂直，且与隔磁外壳底面平行。黏性液体管固支架通过固支杆阶梯槽与顶端螺纹固连，黏性液体管置于固支杆下方，与固支杆垂直，且与隔磁外壳底面平行。
所述强力磁铁通过凹槽与隔磁外壳固连，两块强力磁铁正负极正对放置与固支杆下方40-80mm处，形成平行强力磁场，磁场方向与固支杆方向平行，且与黏性流体管垂直相交。小铁球置于黏性流体管内，位于管与磁场垂直相交处。
卫星入轨前耗能弹簧被固封在升华材料联苯中，阻尼器内部没有相对运动，入轨后升华，释放。当星箭分离时卫星存在较大角加速运动，由于耗能弹簧的滞后作用使重力杆与黏性流体管产生振动，从而耗散能量。当天平动时角加速度较小，耗能弹簧作用小，由于弹簧的滞后性使重力杆与磁铁直接产生相对运动，这时管内小钢球因为磁铁磁场的原因有同磁铁位置保持不变的趋势，这就与管内粘滞液体产生了相对运动，从而耗散卫星姿态运动能量，实现加速度阻尼。
本发明一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其优点及功效是：以简单的机构形式实现了高阻尼率、高适应性、高可靠性的阻尼器。相比国内外已研制的被动姿控阻尼器，阻尼器的结构形式更加简单，简化了装配布局和检测、简化了加工工艺、节约了成本。可用于微小型卫星重力梯度稳定姿态控制等领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为黏性液体管示意图。
图中具体标号如下：
1——隔磁外壳      2——耗能弹簧
3——固支杆        4——内部重力梯度杆
5——配重球        6——固定螺钉
7——液体管固支架  8——固定螺母
9——黏性液体管    10——小铁球
11——强力磁铁
9A——伸缩螺纹     9B——直管
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，如图1所示，可分为两个主要部分：星上固定部分和活动耗能部分。
所述星上固定部分由强力磁铁11、隔磁外壳1组成；所述的隔磁外壳上设有耗能弹簧固支点；两块强力磁铁11正负极正对固定在隔磁外壳1上，使形成的磁场与黏性液体管9垂直，小铁球10位于垂直点处；隔磁外壳1固定与星体上。
所述活动耗能部分由耗能弹簧2、固支杆3、内部重力梯度杆4、黏性液体管9及液体管固支架7、小铁球10组成；两耗能弹簧2分别通过耗能弹簧固支点固定在隔磁外壳1上；固支杆3通过耗能弹簧2连接隔磁外壳1进而连接在星体上，耗能弹簧2可以为螺旋弹簧或扭簧；内部重力梯度杆4垂直固定在固支杆3上，两端用不同的配重球5形成内部重力梯度稳定；黏性液体管9通过液体管固支架7与固支杆3垂直固定，小铁球10置于黏性液体管9内。
所述隔磁外壳1与卫星星体固连，对于内部重力梯度杆4稳定卫星应该固连在距离旋转中心较远的地方。耗能弹簧2一端固定在隔磁外壳1上，一端固定在固支杆3上，两个耗能弹簧2将固支杆3固定在隔磁外壳1上，使固支杆3的方向垂直于天平动平面，且与隔磁外壳1底面平行。固支杆3上依次置有内部重力梯度杆4与黏性液体杆固支架7。内部重力梯度杆4为阶梯杆，杆两端分别通过螺纹固定有重为10-80g的配重球5，使其质心位置位于1/5左右，此处阶梯杆直径为20mm，通过M3的固定螺钉6与固支杆3固连，连接位置为质心位置。内部重力梯度杆4方向与固支杆3垂直，且与隔磁外壳1底面平行。液体管固支架7通过固支杆3阶梯槽与顶端螺纹固连，黏性液体管9置于固支杆3下方，与固支杆3垂直，且与隔磁外壳1底面平行。该黏性液体管采用外径6-9mm塑胶管，中段为直管9B，，两端设有伸缩螺纹9A用以热膨胀补偿。
所述强力磁铁11通过凹槽与隔磁外壳1固连，两块强力磁铁11正负极正对放置与固支杆3下方40-80mm处，形成平行强力磁场，磁场方向与固支杆3方向平行，且与黏性液体管9垂直相交。小铁球10置于黏性液体管9内，位于管与磁场垂直相交处。
卫星入轨前耗能弹簧2被固封在升华材料联苯中，阻尼器内部没有相对运动，入轨后升华，释放。当星箭分离时卫星存在较大角加速运动，由于耗能弹簧2的滞后作用使内部重力梯度杆4与黏性液体管9产生振动，从而耗散能量。当天平动时角加速度较小，耗能弹簧2作用小，由于耗能弹簧2的滞后性使内部重力梯度杆4与强力磁铁11直接产生相对运动，这时管内小铁球10因为磁铁磁场的原因有同强力磁铁11位置保持不变的趋势，这就与管内粘滞液体产生了相对运动，从而耗散卫星姿态运动能量，实现加速度阻尼。

Claims (10)

1.一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，该阻尼器可分为两个主要部分：星上固定部分和活动耗能部分；其特征在于：所述星上固定部分包括：强力磁铁、隔磁外壳；所述的隔磁外壳上设有耗能弹簧固支点；两块强力磁铁正负极正对固定在隔磁外壳上，使形成的磁场与黏性液体管垂直，小铁球位于垂直点处；隔磁外壳固定于星体上；
所述活动耗能部分包括：耗能弹簧、固支杆、内部重力梯度杆、黏性液体管及液体管固支架、小铁球；两耗能弹簧分别通过耗能弹簧固支点固定在隔磁外壳上；固支杆通过耗能弹簧连接在隔磁外壳进而连接在星体上，耗能弹簧可以为螺旋弹簧或扭簧；内部重力梯度杆垂直固定在固支杆上，两端用不同的配重球形成内部重力梯度稳定；黏性液体管通过液体管固支架与固支杆垂直固定，小铁球置于黏性液体管内。
2.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述耗能弹簧为螺旋弹簧，采用直径0.2-0.4mm的铍铜丝，螺旋外径为4-6mm。
3.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述耗能弹簧为扭簧，采用II类弹簧钢丝，直径0.1-.02mm，外径为4-6mm。
4.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述固支杆为直径8-12mm的阶梯杆，长为60-80mm。
5.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述内部重力梯度杆为直径12-20mm的阶梯杆，长80-120mm，两端固定有配重球。
6.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述黏性液体采用二甲基硅油，【CAS号】63148-62-9，运动粘度100±10，可在-50℃～180℃正常工作。
7.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述黏性液体管采用外径6-9mm塑胶管，中段为直管，两端设有伸缩螺纹用以热膨胀补偿。
8.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述小铁球为外径5-8mm的小钢珠。
9.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述强力磁铁采用航空航天常用的钐钴磁铁，为半径6mm，厚3mm的圆片。
10.根据权利要求1所述的一种采用耗能弹簧与管球型结合的被动姿控天平动阻尼器，其特征在于：所述隔磁外壳采用2.5mm厚的80％的镍合金，内有电磁密封衬垫。
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