CN105197257A - 一种分舱优化设计的桁架式geo卫星推力器布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种分舱优化设计的桁架式GEO卫星推力器布局方法，不仅满足了桁架式GEO卫星推力器均在推进服务舱布局的分舱模块化设计基本需求，而且将推进服务舱背地板四角安装的4个10N推力器按照具有尽可能大的卫星变轨效率、足够大的克服大推力变轨发动机干扰力矩的能力、兼顾推进剂沉底及三轴姿态控制与角动量卸载等需求设计其布局方位角，在整星质心明显高于推进服务舱上端的不利条件下，东西位保、南北位保的推力器布局采用成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，使东西位保的推力器布局兼顾俯仰姿态控制与角动量卸载功能，使南北位保的推力器布局兼顾滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载功能，节省姿态控制与角动量卸载推进剂。

Description

一种分舱优化设计的桁架式GEO卫星推力器布局方法

技术领域

本发明涉及一种分舱优化设计的桁架式GEO卫星推力器布局方法，属于航天器控制技术领域。

背景技术

地球静止轨道(GEO)卫星通常安装1个大推力变轨发动机和12台以上的化学推力器，完成卫星变轨、定点、东西和南北位置保持、姿态控制和角动量卸载等任务，推进分系统推力器布局要考虑到卫星结构安装约束、推力器羽流影响、控制分系统要求。

有中心承力筒结构的GEO通信卫星，两个推进剂贮箱是沿Z轴安装的，轻一点的燃箱在上舱，重一点的氧箱在下舱，推力器一般安装在对地板和背地板，背地板位于推进服务舱的底部，对地板位于载荷舱的顶部，因此推力器的管路经过推进服务舱，也经过载荷舱，推力器和管路的安装、测试与拆卸需要对载荷舱进行操作，不便于进行分舱模块化设计。

分舱优化设计的桁架式GEO卫星的重量重的推进剂贮箱、蓄电池等通常均在推进服务舱，推力器与管路均在推进服务舱，有可能进行分舱模块化设计，但是机械坐标系中整星质心Z轴坐标仍然明显高于推进服务舱上端的Z轴坐标，东西南北位保的推力器在推进服务舱布局，既不能像中心承力筒结构的GEO通信卫星那样将推力器安装在对地板和背地板，也不能根据质心高度安装在星体腰部，也不能以寿命中期的整星质心Z轴坐标为中心，在卫星四角上下对称布局了，使分舱模块化的推力器布局的优化有很大困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：不仅要满足桁架式GEO卫星推力器均在推进服务舱布局的分舱模块化设计基本需求，而且要优化推力器布局。

本发明的技术解决方案是：一种分舱优化设计的桁架式GEO卫星推力器布局方法，步骤如下：

1)在推进服务舱背地板安装大推力变轨发动机，在大推力变轨发动机推力矢量进行标定后，按保证变轨发动机推力矢量通过质心与Z轴方向一致的目标，调整变轨发动机在卫星机械坐标系中的安装方向，使大推力变轨发动机点火时，在X、Y轴方向产生不超过±5.0Nm的干扰力矩，在Z方向产生不超过±0.7Nm的干扰力矩；

2)在推进服务舱背地板四角沿Z方向安装4个10N推力器1A、2A、3A、4A，再将东边2个推力器1A、4A和西边2个推力器2A、3A的喷管方向分别向东和向西偏转一个θ角，或将南边2个推力器1A、2A和北边2个推力器3A、4A的喷管方向分别向南和向北偏转一个θ角，按照具有尽可能大的卫星变轨效率、足够大的克服变轨发动机干扰力矩的能力、兼顾推进剂沉底及三轴姿态控制与角动量卸载的要求，进行推力器布局，保证推力器1A、2A、3A、4A配对工作，产生的三轴姿态控制力矩不小于变轨发动机点火时对应轴的干扰力矩的2倍；

3)采用成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，在推进服务舱东板和西板中间，即XOZ平面内，各安装2个推力器1E、2E和1W、2W，用于东西位保，并且兼顾俯仰姿态控制与角动量卸载功能，东西位保推力器的推力矢量与卫星本体系Z轴相交点包容了全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保东西位保推力器工作时俯仰姿态控制的极性正确；

4)采用成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，在推进服务舱南板和北板各安装4个10N推力器1S、2S、3S、4S和1N、2N、3N、4N，以YOZ平面对称布局，用于南北位保，并且兼顾滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载功能，南北位保推力器的推力矢量与卫星本体系XOZ平面相交点的Z轴分量包容了同步轨道全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保南北位保推力器工作时滚动姿态控制的极性正确；

5)南板10N推力器3S、4S和北板10N推力器3N、4N分别与推力器1S、2S和推力器1N、2N保持斜向平行布局，不降低南北位保工作效率，但推力器3S、4S和推力器3N、4N安装位置的Z轴分量降低到足够小，兼作变轨期间背地板1A、2A、3A、4A的姿态控制备份；

6)推力器布局后进行10N推力器羽流影响分析，确保星表附件受到的推力器羽流干扰力、干扰力矩、热流量、微粒污染累计量应在允许范围内，所述星表附件包括星上敏感器、太阳翼、大天线、可展开热辐射器，否则调整相关推力器的安装位置和安装角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明将推进服务舱背地板四角安装的4个10N推力器按照具有尽可能高的卫星变轨效率、足够大的克服大推力变轨发动机干扰力矩的能力、兼顾推进剂沉底及三轴姿态控制与角动量卸载等需求设计推力器布局方位角。

2、在整星质心明显高于推进服务舱上端的不利条件下，东西位保的推力器在东板西板各安装2个，推力器布局采用成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，使东西位保的推力器布局兼顾俯仰姿态控制与角动量卸载功能，东西位保推力器的推力矢量与卫星本体系Z轴相交点应包容全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保东西位保推力器工作时俯仰姿态控制的极性正确。

3、南北位保的推力器在南板北板各安装4个,推力器布局采用成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，使南北位保的推力器布局兼顾滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载功能，可节省姿态控制与角动量卸载推进剂，南北位保推力器的推力矢量与卫星本体系XOZ平面相交点的Z轴分量包容了同步轨道全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保南北位保推力器工作时滚动姿态控制的极性正确。

4、分舱优化设计的桁架式GEO卫星10N推力器布局按16个10N推力器配置，仍有冗余备份，推力器3S、4S和推力器3N、4N安装位置的Z轴分量降低到足够小，可兼作变轨期间背地板1A、2A、3A、4A的姿态控制备份，不仅可节省推进剂、管路，提高卫星载干比、可靠性与性价比，而且便于操作、优化卫星总装测试流程。

本发明可推广应用到各类质心明显高于推进服务舱上端的桁架式GEO卫星推力器的分舱模块化布局，还可推广应用到GEO卫星的延寿器的推力器布局。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为实施例的背地板布局示意图。

图3为实施例的东西板布局示意图。

图4为实施例的南北板布局示意图。

具体实施方式

桁架式GEO卫星的推进剂贮箱等通常均在推进服务舱，有可能进行分舱模块化设计，但是桁架式GEO卫星整星质心明显高于推进服务舱上端的Z轴坐标，使分舱模块化的推力器布局的优化有很大困难。

本发明提出一种分舱优化设计的桁架式GEO卫星推力器布局方法，不仅要满足桁架式GEO卫星推力器均在推进服务舱布局的分舱模块化设计基本需求，而且要优化推力器布局。

如图1所示，为本发明方法的流程图。其特征在于步骤如下：

(1)在推进服务舱背地板安装大推力变轨发动机，在大推力变轨发动机推力矢量进行标定后，按保证变轨发动机推力矢量通过质心与Z轴方向一致的目标，调整变轨发动机在卫星机械坐标系中的安装方向，使大推力变轨发动机点火时，在X、Y轴方向产生不超过±5.0Nm的干扰力矩，在Z方向产生不超过±0.7Nm的干扰力矩；

(2)在推进服务舱背地板四角沿Z方向安装4个10N推力器1A、2A、3A、4A，再将东边2个推力器1A、4A和西边2个推力器2A、3A的喷管方向分别向东和向西偏转一个θ角，或将南边2个推力器1A、2A和北边2个推力器3A、4A的喷管方向分别向南和向北偏转一个θ角，按照具有尽可能大的卫星变轨效率、足够大的克服大推力变轨发动机干扰力矩的能力、兼顾推进剂沉底及三轴姿态控制与角动量卸载等需求设计推力器布局方位角。若θ角取值为5～15°，可使4个推力器的推力矢量与Z轴方向夹角为85～75°，假如推力器在X方向距离坐标原点距离为1500mm，在Y方向距离坐标原点距离为1500mm，偏转5°时，可组合提供滚动(X轴)、俯仰(Y轴)和偏航(Z轴)的姿态控制力矩或动量轮的三轴角动量卸载力矩分别为±29.88Nm、±29.88Nm、±2.62Nm，以及用于变轨和推进剂沉底需要的Z轴方向单个推力器推力矢量为9.962N，推力器工作效率为0.9962，偏转15°时，可组合提供滚动、俯仰和偏航的姿态控制力矩或动量轮的三轴角动量卸载力矩，分别为±28.98Nm、±28.98Nm、±7.76Nm，以及用于变轨和推进剂沉底需要的Z轴方向单个推力器推力矢量为9.659N，推力器工作效率为0.9659，比较两种方案，都能满足大推力发动机变轨时和卫星定点后的三轴姿态控制及角动量卸载要求，但θ＝5°时推力器辅助大推力发动机变轨的工作效率高，可见θ＝5°优于θ＝15°；

考虑到兼顾变轨期间背地板10N推力器1A、2A、3A、4A的故障对策，θ＝5°情况下，如按可允许的最大力臂布局，同一边的两个10N推力器配对工作时滚动、俯仰的姿态控制力矩分别为29.88Nm、29.88Nm，已达大推力变轨发动机点火时，滚动、俯仰方向最大干扰力矩±5.0Nm的近6倍，远超过通常需要的2倍了，因此背地板1A、2A、3A、4A不宜取最大力臂1500mm，宜取500mm～1000mm的力臂，当力臂为1000mm、东边2个推力器1A、4A和西边2个推力器2A、3A的喷管方向分别向东和向西偏转一个θ角5°情况下，10N推力器1A、2A、3A、4A单独工作时滚动、俯仰与偏航的姿态控制力矩分别为：(+9.96Nm，-9.96Nm，+0.875Nm)、(+9.96Nm，+9.96Nm，-0.875Nm)、(-9.96Nm，+9.96Nm，+0.875Nm)、(-9.96Nm，-9.96Nm，-0.875Nm)，可组合提供滚动(X轴)、俯仰(Y轴)和偏航(Z轴)的姿态控制力矩或动量轮的三轴角动量卸载力矩，分别为±19.92Nm、±19.92Nm、±1.75Nm；

图2为实施例的背地板布局示意图，但4个推力器向哪个方向偏转一个多大的θ角是可选的，因此只用文字说明，未在示意图标出；

(3)采用了推进服务舱的成对东西位保10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，使东西位保的推力器布局兼顾俯仰姿态控制与角动量卸载功能，东西位保推力器的推力矢量与卫星本体系Z轴相交点应包容全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保东西位保推力器工作时俯仰姿态控制的极性正确。因东西位保的速度增量△V不超过南北位保的速度增量的10％，为减少推力器，只在推进服务舱东和西外板中间(即XOZ平面内)各安装2个推力器1E、2E和1W、2W。假如推进服务舱顶端高度1830mm，寿命初期的整星质心高度2415mm，寿命中期的整星质心高度2450mm，寿命末期的整星质心高度2485mm，则东西南北位置保持的10N推力器，为节省推进剂，提高位置保持的10N推力器的工作效率，位置保持的10N推力器布局不兼顾大推力发动机变轨期间的卫星质心变化情况，东西位保推力器布局在推进服务舱东板和西板布局，安装位置Z轴坐标取1830mm与1650mm，其推力矢量与卫星本体系Z轴相交点分别为2540mm与2360mm，包容了全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出55mm裕度，确保东西位保推力器工作时俯仰姿态控制的极性正确，全寿命期间单个推力器俯仰姿态控制力矩为±(0.497～1.130Nm)，可用于俯仰姿态控制与俯仰轴角动量卸载，当采用东板或西板的2个位保推力器同时工作时，星上可采用关调制方法自主调整2个推力器的工作时间保证俯仰姿态控制精度满足指标要求，由于东西位保推力器在X方向距离坐标原点距离为1500mm，位保推力器的推力矢量与X轴夹角为25.33°,工作效率为0.9038，如果东西板安装了固面天线，则星箭分离展开固面天线后才允许东西位保推力器工作，如果有在轨展开的桁架式大天线，则需根据卫星的定点位置的漂移方向决定保留东或西板的2个推力器，桁架式大天线安装在另一边，东板的2个推力器用于卫星向西位保，西板的2个推力器用于卫星向东位保，即卫星的定点位置确定的情况下，可只保留2个推力器；

图3为实施例的东西板布局示意图。

(4)在推进服务舱南板和北板各安装4个10N推力器1S、2S、3S、4S和1N、2N、3N、4N，采用了成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，以YOZ平面对称布局，南板的4个推力器用于卫星向北位保，北板的4个推力器用于卫星向南位保，且兼顾滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载功能。南北位保推力器的推力矢量与卫星本体系XOZ平面相交点的Z轴分量包容了同步轨道全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保南北位保推力器工作时滚动姿态控制的极性正确。假如推进服务舱顶端高度1830mm，寿命初期的整星质心高度2415mm，寿命中期的整星质心高度2450mm，寿命末期的整星质心高度2485mm，南板10N推力器1S、2S、4S、3S安装位置分别取(±1500mm，1500mm，1830mm)、(±1500mm，1500mm，1650mm)，北板10N推力器1N、2N、4N、3N安装位置分别取(±1500mm，-1500mm，1830mm)、(±1500mm，-1500mm，1650mm)，其推力矢量与卫星本体系XOZ平面相交点的Z轴分量分别为2540mm与2360mm，包容了全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出55mm裕度，确保南北位保推力器工作时滚动姿态控制的极性正确，全寿命期间单个推力器滚动姿态控制力矩为±(0.497～1.130Nm)，由于南北位保推力器安装点在Y方向距离XOZ平面距离为1500mm，位保推力器的推力矢量与Y轴夹角为25.33°,工作效率为0.9038，全寿命期间单个推力器Y轴分量为9.038N，X方向距离YOZ平面距离为1500mm，单个推力器偏航姿态控制力矩为±13.56Nm，单个推力器Z轴分量为4.278N，X方向距离YOZ平面距离为1500mm，单个推力器俯仰姿态控制力矩为±6.42Nm，南北位保推力器可用于滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载。

图4为实施例的南北板布局示意图。

(5)尽管大推力变轨发动机转移轨道4～7次的变轨累计时间只有4～7小时，背地板4个10N推力器1A、2A、3A、4A完成变轨期间的推进剂沉底及卫星三轴姿态控制，已有相当高的可靠性，为进一步提高可靠性，南板10N推力器3S、4S和北板10N推力器3N、4N分别与推力器1S、2S和推力器1N、2N保持斜向平行布局，不降低南北位保工作效率，但推力器3S、4S和推力器3N、4N安装位置的Z轴分量降低到足够小，例如南板下端10N推力器4S、3S安装位置为(±1500mm，1500mm，300mm)，北板下端10N推力器4N、3N安装位置为(±1500mm，-1500mm，300mm)，就可兼作变轨期间背地板1A、2A、3A、4A的姿态控制备份，如果第一次变轨点火时的整星质心高度2008mm，最后一次变轨点火时的整星质心高度2338mm，变轨点火期间4S+3S可产生滚动姿态控制力矩-18.04Nm～-24.00Nm,变轨点火期间4N+3N可产生滚动姿态控制力矩+18.04Nm～+24.00Nm，调低南北板下端10N推力器安装位置后的滚动、俯仰与偏航姿态控制与角动量卸载的力矩的各种组合见表1。

表11S、2S、3S、4S和1N、2N、3N、4N的控制力矩及组合工作方式

由表1可见组合工作方式中单独使用向北位置保持10N推力器1S、2S、3S、4S或向南位置保持10N推力器1N、2N、3N、4N进行滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载，是可同时实现位置保持的，因此节省了推进剂。

背地板1A、2A、3A、4A也可在同步轨道全寿命期间用于滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载，但不仅不可能兼管南北位置保持，而且会明显影响轨道偏心率，使东西位保复杂化。

如果向北位置保持10N推力器1S、2S、3S、4S与向南位置保持10N推力器1N、2N、3N、4N各出一个配对工作，虽然可很好消除俯仰控制与偏航控制的耦合，增加了俯仰控制与偏航控制的备份，但不能兼顾向南位置保持或向北位置保持了，因此应尽可能利用东西位保10N推力器进行同步轨道俯仰姿态控制与角动量卸载，利用南北位置保持10N推力器进行同步轨道滚动姿态控制与角动量卸载，在俯仰与偏航姿态控制与角动量卸载均有需求时，优先利用南北位置保持10N推力器实施，中型GEO通信卫星15年全寿命期间姿态控制与角动量卸载需15kg推进剂，有单边大天线的中型GEO卫星8年全寿命期间姿态控制与角动量卸载需30kg推进剂，而大型GEO通信卫星太阳翼明显增大，15年全寿命期间姿态控制与角动量卸载需25kg推进剂，有单边大天线的大型GEO卫星太阳翼与单边大天线均明显增大，8年全寿命期间姿态控制与角动量卸载需50kg推进剂，南北位保与东西位保10N推力器布局能尽量兼顾姿态控制与角动量卸载，不仅可提高可靠性，而且可节省大部分姿态控制与角动量卸载推进剂；

在实际工程中推力器布局的优化会受到其他大系统要求的限制，例如东西南北位保推力器最高安装位置允许的Z轴分量降低了，而同步轨道全寿命期间的整星质心Z轴分量增高了，均将降低东西南北位保工作效率，工作方式不变，但推进剂消耗增加了。

(6)推力器布局后需进行10N推力器羽流影响分析，确保星上敏感器、太阳翼、大天线、可展开热辐射器等星表附件受到的推力器羽流干扰力、干扰力矩、热流量、微粒污染累计量应在允许范围内，否则需调整相关推力器的安装位置和安装角。分舱优化设计的桁架式GEO卫星东西南北推力器均配齐时为16个10N推力器。

推力器布局涉及的航天领域技术人员的三项主要公知技术列举如下

(1)卫星机械坐标系的定义如下：

a)坐标系原点O：位于卫星下端框与运载火箭机械分离面内，与卫星接口上三个销钉所组成的理论圆的圆心重合；

b)OX轴：正方向与卫星东板理论外法线方向一致，简称X轴；

c)OY轴：正方向与卫星南板理论外法线方向一致，简称Y轴；

d)OZ轴：垂直于卫星与运载火箭的连接分离面，其正方向从原点指向对地板，简称Z轴；

e)OXYZ坐标系符合右手法则。

(2)卫星在轨飞行时，在理论姿态条件下，作为卫星姿态基准参考坐标系的本体坐标系(也称轨道坐标系)的定义如下：

a)坐标系原点O：原点位于卫星质心，其三轴OX_b、OY_b、OZ_b与机械坐标系的OX、OY、OZ平行；

b)OX_b轴为滚动轴，卫星对地定向时指向卫星前进方向；

c)OY_b轴为俯仰轴，卫星对地定向时指向卫星轨道平面负法线方向；

d)OZ_b轴为偏航轴，卫星对地定向时指向地心；

e)OX_bY_bZ_b坐标系符合右手法则。

卫星在同步轨道飞行时，卫星前进方向为正东方向，轨道平面负法线方向为正南方向，作为卫星姿态基准参考坐标系的本体坐标系也称东南坐标系。

(3)推力器布局方位角(安装角)通常指推力器的推力矢量与卫星机械坐标系X轴、Y轴、Z轴的夹角，考虑各种需求，调节推力器的方位角及安装位置的过程即推力器布局设计过程。

本发明说明书中未作详细描述的内容属航天领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种分舱优化设计的桁架式GEO卫星推力器布局方法，其特征在于步骤如下：

1)在推进服务舱背地板安装大推力变轨发动机，在大推力变轨发动机推力矢量进行标定后，按保证变轨发动机推力矢量通过质心与Z轴方向一致的目标，调整变轨发动机在卫星机械坐标系中的安装方向，使大推力变轨发动机点火时，在X、Y轴方向产生不超过±5.0Nm的干扰力矩，在Z方向产生不超过±0.7Nm的干扰力矩；

2)在推进服务舱背地板四角沿Z方向安装4个10N推力器1A、2A、3A、4A，再将东边2个推力器1A、4A和西边2个推力器2A、3A的喷管方向分别向东和向西偏转一个θ角，或将南边2个推力器1A、2A和北边2个推力器3A、4A的喷管方向分别向南和向北偏转一个θ角，按照具有尽可能大的卫星变轨效率、足够大的克服变轨发动机干扰力矩的能力、兼顾推进剂沉底及三轴姿态控制与角动量卸载的要求，进行推力器布局，保证推力器1A、2A、3A、4A配对工作，产生的三轴姿态控制力矩不小于变轨发动机点火时对应轴的干扰力矩的2倍；

3)采用成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，在推进服务舱东板和西板中间，即XOZ平面内，各安装2个推力器1E、2E和1W、2W，用于东西位保，并且兼顾俯仰姿态控制与角动量卸载功能，东西位保推力器的推力矢量与卫星本体系Z轴相交点包容了全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保东西位保推力器工作时俯仰姿态控制的极性正确；

4)采用成对10N推力器推力矢量斜向平行布局方法，在推进服务舱南板和北板各安装4个10N推力器1S、2S、3S、4S和1N、2N、3N、4N，以YOZ平面对称布局，用于南北位保，并且兼顾滚动、俯仰、偏航姿态控制与角动量卸载功能，南北位保推力器的推力矢量与卫星本体系XOZ平面相交点的Z轴分量包容了同步轨道全寿命期间的整星质心变化范围，且各留出裕度，确保南北位保推力器工作时滚动姿态控制的极性正确；

5)南板10N推力器3S、4S和北板10N推力器3N、4N分别与推力器1S、2S和推力器1N、2N保持斜向平行布局，不降低南北位保工作效率，但推力器3S、4S和推力器3N、4N安装位置的Z轴分量降低到足够小，兼作变轨期间背地板1A、2A、3A、4A的姿态控制备份；

6)推力器布局后进行10N推力器羽流影响分析，确保星表附件受到的推力器羽流干扰力、干扰力矩、热流量、微粒污染累计量应在允许范围内，所述星表附件包括星上敏感器、太阳翼、大天线、可展开热辐射器，否则调整相关推力器的安装位置和安装角。