CN104699107B - 一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构的搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构及其搭建方法，涉及用于控制力矩陀螺群的桁架包络结构，属于航天器姿态控制领域。本发明利用金字塔构型搭建桁架包络结构，将四个控制力矩陀螺安装在桁架包络结构内，通过桁架包络结构保护控制力矩陀螺不受航天器上其他部件的干扰、保证其正常运行，所述的金字塔构型桁架包络结构搭建方法保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构的空间利用率。此外，通过改变桁架包络结构中部分支杆的刚度特性、在连接点处设计柔性支撑等手段使桁架包络结构能够吸附陀螺振动。

Description

一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构的搭建方法

技术领域

本发明涉及桁架包络结构及其搭建方法，特别涉及用于控制力矩陀螺群的桁架包络结构及其搭建方法，属于航天器姿态控制领域。

背景技术

目前，控制力矩陀螺(CMG)作为执行机构广泛应用于现代航天器的姿态控制任务中。它能够提供精确、连续的输出力矩，而且不消耗燃料，不污染光学设备和飞行环境。然而由于制造工艺和装配精度的限制，此类执行机构在运行过程中会产生一种小幅高频的微振动。对于姿态指向精度和稳定度(尤其是稳定度)要求不高的航天任务，这类微振动可不做考虑。但是对于近年来大力发展的高分辨率对地观测卫星、激光通讯卫星、太空望远镜及空间站等航天器，如不采取有效措施对微振动问题进行处理，将会导致航天器上的有效载荷难以正常工作，使空间任务无法实现。如我国遥感十四卫星成像质量仍受星上飞轮和控制力矩陀螺产生的微振动的影响；美国哈勃望远镜在方案论证阶段指出，来自飞轮的微振动严重影响空间观测质量；日本ETS-VI卫星激光链路受微振动影响，导致误码率增加。

常采用多个控制力矩陀螺以一种构型安装在航天器上，目前控制力矩陀螺多为单独安装形式，安装不便、易受到航天器上其他部件的干扰，并且需要占用较大的空间。为使得控制力矩陀螺群能够在航天器上实现灵活安装，并且保护控制力矩陀螺不受航天器上其他部件的干扰，本专利提出了一种基于金子塔构型的控制力矩陀螺群桁架包络结构。

金字塔构型又称正四棱锥构型，是一种具有代表性的控制力矩陀螺群构型，广泛应用于各类航天的姿态控制中，该构型由四个控制力矩陀螺组成，如图1、2所示。金字塔构型中控制力矩陀螺的安装倾角为通常四个控制力矩陀螺分别布置在正四面体底边中点，框架轴垂直于侧面；控制力矩陀螺也可分别布置在四个侧面的其他位置，只要保证安装倾角即可。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用金字塔构型搭建桁架包络结构，实现在保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构的空间利用率。本发明公开的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构及其搭建方法，由于控制力矩陀螺安装在桁架包络结构内，通过桁架包络结构保护控制力矩陀螺不受航天器上其他部件的干扰、保证其正常运行，此外，在保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构空间利用率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构，利用金字塔构型搭建桁架包络结构，将四个控制力矩陀螺安装在桁架包络结构内，通过桁架包络结构保护控制力矩陀螺不受航天器上其他部件的干扰、保证其正常运行，所述的金字塔构型桁架包络结构搭建方法保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构的空间利用率。

所述的金字塔构型桁架包络结构搭建方法具体实现步骤如下：

步骤一：金字塔构型中控制力矩陀螺的安装倾角为而已知正方体的对角线和与对角线相交棱之间的夹角也为桁架包络结构由正方体扩展变换得到，具体实现步骤为：

步骤1，以正四棱锥底边四个中点构成的正方形EFGH为顶面做向下做正方体EFGH-E₁F₁G₁H₁，延长四个控制力矩陀螺的框架轴可交于正方体中心点P；

步骤2，取正方体的一半EFGH-E₂F₂G₂H₂为包络空间，将控制力矩陀螺放置在该空间内；

步骤3，将桁架杆布置在正方体的部分棱的位置得到桁架包络结构。其中桁架杆EF、FG、GH、HE、E₂F₂、F₂G₂、G₂H₂、H₂E₂长度相等为正方体棱长，桁架杆EE₂、FF₂、GG₂、HH₂、OP为长度相等为正方体半棱长，桁架杆OE、OF、OG、OH、PE₂、PF₂、PG₂、PH₂长度相等为面对角线长度一半，节点O、P为面EFGH、E₂F₂G₂H₂中点，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别为每个控制力矩陀螺旋转形成的球体空间的中心，每个控制力矩陀螺旋转形成的球体空间代表一个控制力矩陀螺能占包络结构的最大空间。

步骤二：由于制造和装配误差，控制力矩陀螺在工作过程中会产生振动，通过改变桁架包络结构中部分支杆的刚度特性、在连接点处设计柔性支撑等手段使桁架包络结构吸附陀螺振动。

步骤二所述的吸附陀螺振动的方法为，在控制力矩陀螺框架轴与桁架节点的连接处加装弹簧垫片，或者在桁架包络结构与控制力矩陀螺连接的节点处安装隔振结构，也可以将部分支杆(例如EE₂、FF₂、GG₂、HH₂、OP)更换成弹簧阻尼杆，都能有效吸附控制力矩陀螺的振动。

有益效果：

1、本发明的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构，由于控制力矩陀螺安装在桁架包络结构内，通过桁架包络结构保护控制力矩陀螺不受航天器上其他部件的干扰、保证其正常运行。

2、本发明的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构，利用金字塔构型搭建桁架包络结构，在保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构空间利用率。

3、本发明的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构，通过改变桁架包络结构中部分支杆的刚度特性、在连接点处设计柔性支撑等手段使桁架包络结构能够吸附陀螺振动。

附图说明

图1为已有技术金子塔构型的控制力矩陀螺群；

图2为图1中A处局部放大图；

图3为本发明步骤1构建的金字塔构型桁架包络结构几何结构过程图；

图4为本发明步骤2构建金字塔构型桁架包络结构几何结构过程图；

图5为本发明步骤3构建金字塔构型桁架包络结构几何结构过程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构，利用金字塔构型搭建桁架包络结构，将四个控制力矩陀螺安装在桁架包络结构内，通过桁架包络结构保护控制力矩陀螺不受航天器上其他部件的干扰、保证其正常运行，所述的金字塔构型桁架包络结构搭建方法保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构的空间利用率。

所述的金字塔构型桁架包络结构搭建方法具体实现步骤如下：

步骤一：金字塔构型中控制力矩陀螺的安装倾角为而已知正方体的对角线和与对角线相交棱之间的夹角也为桁架包络结构由正方体扩展变换得到，具体实现步骤为：

步骤1，如图3所示，以正四棱锥底边四个中点构成的正方形EFGH为顶面做向下做正方体EFGH-E₁F₁G₁H₁，延长四个控制力矩陀螺的框架轴(图中虚线)可交于正方体中心点P；

步骤2，如图4所示，取正方体的一半EFGH-E₂F₂G₂H₂为包络空间，将控制力矩陀螺放置在该空间内；

步骤3，如图5所示，将桁架杆布置在正方体的部分棱的位置得到桁架包络结构。其中桁架杆EF、FG、GH、HE、E₂F₂、F₂G₂、G₂H₂、H₂E₂长度相等为正方体棱长，桁架杆EE₂、FF₂、GG₂、HH₂、OP为长度相等为正方体半棱长，桁架杆OE、OF、OG、OH、PE₂、PF₂、PG₂、PH₂长度相等为面对角线长度一半，节点O、P为面EFGH、E₂F₂G₂H₂中点Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别为每个控制力矩陀螺旋转形成的球体空间的中心，每个球体代表一个控制力矩陀螺能占包络结构的最大空间。

步骤二：由于制造和装配误差，控制力矩陀螺在工作过程中会产生振动，在控制力矩陀螺框架轴与桁架节点的连接处加装弹簧垫片，或者在桁架包络结构与控制力矩陀螺连接的节点处安装隔振结构，也可以将部分支杆(例如EE₂、FF₂、GG₂、HH₂、OP)更换成弹簧阻尼杆，都能有效吸附控制力矩陀螺的振动。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构的搭建方法，其特征在于：利用金字塔构型搭建桁架包络结构，将四个控制力矩陀螺安装在桁架包络结构内；所述的金字塔构型桁架包络结构搭建方法保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构的空间利用率；

所述的金字塔构型桁架包络结构搭建方法具体实现步骤包括步骤一：金字塔构型中控制力矩陀螺的安装倾角为而已知正方体的对角线和与对角线相交棱之间的夹角也为桁架包络结构由正方体扩展变换得到，具体实现步骤为，

步骤1，以正四棱锥底边四个中点构成的正方形EFGH为顶面做向下做正方体EFGH-E₁F₁G₁H₁，延长四个控制力矩陀螺的框架轴可交于正方体中心点P；

步骤2，取正方体的一半EFGH-E₂F₂G₂H₂为包络空间，将控制力矩陀螺放置在该空间内；

步骤3，将桁架杆布置在正方体的部分棱的位置得到桁架包络结构；其中桁架杆EF、FG、GH、HE、E₂F₂、F₂G₂、G₂H₂、H₂E₂长度相等为正方体棱长，桁架杆EE₂、FF₂、GG₂、HH₂、OP为长度相等为正方体半棱长，桁架杆OE、OF、OG、OH、PE₂、PF₂、PG₂、PH₂长度相等为面对角线长度一半，节点O、P为面EFGH、E₂F₂G₂H₂中点，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别为每个控制力矩陀螺旋转形成的球体空间的中心，每个球体代表一个控制力矩陀螺能占包络结构的最大空间，将四个球体布置在桁架包络结构内，保证四个控制力矩陀螺自由转动互不干扰的约束条件下提高桁架包络结构的空间利用率。

2.如权利要求1所述的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构的搭建方法，其特征在于：还包括用于吸附陀螺振动的步骤二，由于制造和装配误差，控制力矩陀螺在工作过程中会产生振动，通过改变桁架包络结构中部分支杆的刚度特性、在连接点处设计柔性支撑使桁架包络结构吸附陀螺振动。

3.如权利要求2所述的一种控制力矩陀螺群的桁架包络结构的搭建方法，其特征在于：步骤二所述的吸附陀螺振动的具体方法为，在控制力矩陀螺框架轴与桁架节点的连接处加装弹簧垫片，或者在桁架包络结构与控制力矩陀螺连接的节点处安装隔振结构，或者将部分支杆更换成弹簧阻尼杆。