CN108415446A - 高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体及实验方法，通过喷水口产生大小相同方向垂直于本体表面的反作用力来模拟作用在航天器表面的均布太阳光压力，为了保证喷水口喷水产生的反推力能够较为真实地模拟均布的太阳光压力，需要对喷水速度进行实时反馈控制，反馈量为实验体的姿态角和角速度；并采用沿结构杆滑动的质量块和推力器联合控制的方法模拟空间中太阳帆姿态的调整，本装置可以用于高面质比航天器姿态控制的地面等效模拟试验，验证高面质比航天器的姿态控制。
Description
技术领域
本发明属于航天器姿态控制地面等效模拟实验领域，具体涉及一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体及实验方法。
背景技术
近年来，随着日本航天局的IKAROS项目和美国航空航天局的NanoSail-D2任务的成功实施，太阳帆等高面质比航天器越来越受到世界各国研究人员的重视。相比于传统航天器，这类高面质比航天器具有非常多的优势。在深空探索领域，这类航天器能够在不消耗航天器化学推进剂的情况下，利用太阳光压产生连续小推力，对其本身进行姿态和轨道控制；在近地航天任务中，这类高面质比航天器能够利用太阳光压、大气阻力等自然力改变航天器本身的运动状态，达到维持轨道构型不变的效果。尽管在世界范围内，已经有多个航天组织相继对包括太阳帆、芯片卫星等在内的高面质比航天器进行了在轨实验，但是其成本昂贵，且由于地面试验困难，导致任务成功率较低。另外，国内对该类航天器的研究更是只处于理论研究的初级状态，缺乏必要的地面仿真系统和仿真实验。
太阳辐射压力属于表面力，太阳帆航天器受力大小与其姿态相关，力的方向与太阳帆法线方向平行，因此如何在地面试验中等效模拟空间中太阳帆航天器受到的太阳辐射压力是本发明要解决的技术问题之一；对空间中太阳帆的姿态控制通常采用飞轮和质量块联合控制的方法实现太阳帆姿态的调整，因此如何在地面试验中等效模拟空间中太阳帆航天器的姿态控制是本发明要解决的技术问题之二。
发明内容
本发明的目的在于解决上述不足，提供一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体及实验方法，能够用于高面质比航天器姿态控制的地面等效模拟试验，验证高面质比航天器姿态控制方法。
为了达到上述目的，一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，包括水压控制层、质心控制层和质心平衡层，以及实验体侧边和顶角处均设置有的螺旋桨推进器；
所述水压控制层包括喷水推进模型，喷水推进模型上开设有若干喷水口，每个喷水口均对应连接一组压强控制系统；
所述质心控制层用于固定姿态控制系统，姿态控制系统包括设置在太阳帆帆面上呈X设置的四个结构杆，每个结构杆上均设置有能够在结构杆上滑动的质量块；
所述质心平衡层用于固定其它设备并调整质心使其位于厚度方向的对称面上。
所述压强控制系统包括与对应喷水口连接的储水装置，储水装置顶部设置有高压气瓶，储水装置内设置有压强计，储水装置上开设有可控放气阀，高压气瓶与储水装置的连接处设置有可控充气阀。
所述喷水口为九个，呈3×3式九宫格式布置，中间喷水口位于姿控坐标系oxyz的ox轴上，相邻的喷水口间距为800mm。
所述四组螺旋桨推进器为八个，分别设置在实验体的四个角以及侧边的中心上。
一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体的实验方法，包括以下步骤：
步骤一，给定预控制的太阳帆参数，包含尺寸参数、面质比参数和反射率参数，以太阳帆初始姿态、初始角速度、初始角加速度为初始输入量，得到t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度；
步骤二，由t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度和太阳帆参数求得该时刻太阳帆受到的太阳帆压力，然后由相似性原理得到实验体受到的等效总推力，进而算得此时实验体水压控制层上各个喷水口应通过喷水对实验体施加的等效反作用力；
步骤三，由t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度通过相似性原理得到该时刻实验体各个喷水口自身随实验体运动的速度以及各个喷水口的位置，联立以上三部分信息通过动量定理得到实验体水压控制层上各个喷水口需要的喷水速度，通过测量系统测得此时喷水口的位置参数，然后由喷水口位置和喷水口喷水速度联立通过伯努利方程得到各个喷水口上方连接的储水装置中所需的气体压强Pt；
步骤四，通过压强控制系统的压强计测得t0时刻储水装置中气体的压强P0，将P0的值与Pt的值进行比较，调节可控充气阀和可控放气阀，直至Pt＝P0关闭充气阀或放气阀，结束对储水装置气压的调整；
步骤五，t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度、太阳帆参数和太阳帆理想姿态运动轨迹进入待验证控制律中，控制律给出相应的四个质量块的位置参数，实验体上的执行机构电机控制质量块按控制律给出的指令运动；
步骤六，在喷水口喷水产生反作用力和质量块移动导致实验体质心变化的共同作用下，实验体会发生位置和姿态的变化，通过测量系统测得t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度；
步骤七，将t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度作为输入量更新t0时刻对应的参数；
步骤八，重复步骤一至七，即可得到从起始时刻到终止时刻，每相隔t时刻实验体的实际姿态、角速度、角加速度，将实验体的实际姿态与理想的姿态轨迹进行比较，可分析被验证控制律的性能。
所述步骤四中，若Pt＞P0则打开与高压气瓶连接的可控充气阀对储水装置充气，否则打开出水装置顶端的可控放气阀排出储水装置中部分气体，在充气或放气期间实时更新储水装置顶端的压强计的测量值P0。
与现有技术相比，本装置通过喷水口产生大小相同方向垂直于本体表面的反作用力来模拟作用在航天器表面的均布太阳光压力，为了保证喷水口喷水产生的反推力能够较为真实地模拟均布的太阳光压力，需要对喷水速度进行实时反馈控制，反馈量为实验体的姿态角和角速度；并采用沿结构杆滑动的质量块和推力器联合控制的方法模拟空间中太阳帆姿态的调整，本装置可以用于高面质比航天器姿态控制的地面等效模拟试验，验证高面质比航天器的姿态控制。
本发明通过控制储水装置上方的气体压强Pi1，可实时控制喷水口喷水的速度，从而模拟均布的太阳光压力；当太阳帆需要进行姿态控制时，通过调整质量块位置可改变系统质心位置，使整个系统质心与太阳光压力压心之间产生可控偏距，产生所需要的姿态控制力矩，本方法以用于高面质比航天器姿态控制的地面等效模拟试验，实验结果准确有效。
附图说明
图1为本发明中喷水推进模型的结构示意图；
图2为本发明中姿态控制系统的结构示意图；
图3为本发明中以质量块为执行机构的控制俯仰轴姿态图；
图4为本发明实验体结构图；
图5为本发明实验体质心控制层结构图；
图6为本发明实验体主视图；
图7为本发明实验体水压控制层结构图；
图8为本发明高压气瓶和储水装置等外部辅助设备的示意图；
图9为本发明的流程图；
其中，1、喷水推进模型；2、喷水口；3、储水装置；4、高压气瓶；5、压强计；6、可控充气阀；7、可控放气阀；8、姿态控制系统；9、质量块；10、结构杆；11、帆面；12、螺旋桨推进器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，包括水压控制层、质心控制层和质心平衡层，水压控制层、质心控制层和质心平衡层的侧边上设置有四组螺旋桨推进器12；
水压控制层包括喷水推进模型1，喷水推进模型1上开设有若干喷水口2，每个喷水口2 均对应连接一组压强控制系统，压强控制系统包括与对应喷水口2连接的储水装置3，储水装置3顶部设置有高压气瓶4，储水装置3内设置有压强计5，储水装置3上开设有可控放气阀 7，高压气瓶4与储水装置3的连接处设置有可控充气阀6；
质心控制层用于固定姿态控制系统8，姿态控制系统8包括设置在太阳帆帆面11上呈X 设置的四个结构杆10，每个结构杆10上均设置有能够在结构杆10上滑动的质量块9；
质心平衡层用于固定其它设备。
优选的，喷水口2为九个，呈3×3式九宫格式布置，中间喷水口位于姿控坐标系oxyz的ox 轴上，相邻的喷水口2间距为800mm，四组螺旋桨推进器11为八个，分别设置在水压控制层、质心控制层和质心平衡层的四个角以及侧边的中心。
一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体的实验方法，包括以下步骤：
步骤一，给定预控制的太阳帆参数，包含尺寸参数、面质比参数和反射率参数，以太阳帆初始姿态、初始角速度、初始角加速度为初始输入量，得到t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度；
步骤二，由t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度和太阳帆参数求得该时刻太阳帆受到的太阳帆压力，然后由相似性原理得到实验体受到的等效总推力，进而算得此时实验体水压控制层上各个喷水口应通过喷水对实验体施加的等效反作用力；
步骤三，由t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度通过相似性原理得到该时刻实验体各个喷水口自身随实验体运动的速度以及各个喷水口的位置，联立以上三部分信息通过动量定理得到实验体水压控制层上各个喷水口需要的喷水速度，通过测量系统测得此时喷水口的位置参数，然后由喷水口位置和喷水口喷水速度联立通过伯努利方程得到各个喷水口上方连接的储水装置中所需的气体压强Pt；
步骤四，通过插入在储水装置顶端的压强计测得t0时刻储水装置中气体的压强P0，将P0的值与Pt的值进行比较，调节可控充气阀和可控放气阀，直至Pt＝P0关闭充气阀或放气阀，结束对储水装置气压的调整；若Pt＞P0则打开与高压气瓶连接的可控充气阀对储水装置充气，否则打开出水装置顶端的可控放气阀排出储水装置中部分气体，在充气或放气期间实时更新储水装置顶端的压强计的测量值P0；
步骤五，t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度、太阳帆参数和太阳帆理想姿态运动轨迹进入待验证控制律中，控制律给出相应的四个质量块的位置参数，实验体上的执行机构电机控制质量块按控制律给出的指令运动；
步骤六，在喷水口喷水产生反作用力和质量块移动导致实验体质心变化的共同作用下，实验体会发生位置和姿态的变化，通过测量系统测得t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度；
步骤七，将t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度作为输入量更新t0时刻对应的参数；
步骤八，重复步骤一至七，即可得到从起始时刻到终止时刻，每相隔t时刻实验体的实际姿态、角速度、角加速度，将实验体的实际姿态与理想的姿态轨迹进行比较，可分析被验证控制律的性能。
本发明设计了9点喷水推进模型进行太阳辐射压力的地面等效模拟。该方法的基本原理是，利用分布于实验体表面的序号为1到9的9个喷水口向外喷水，如图1所示，产生大小相同方向垂直于本体表面的反作用力来模拟作用在航天器表面的均布太阳光压力，9个喷水口产生的推力和为太阳光压均布力的总和。当实验体姿态发生变化时，如果喷水口喷水速度不发生变化，由于实验体各喷水口处线速度发生变化，此时产生的喷水反作用力将发生变化。为了保证喷水口喷水产生的反推力能够较为真实地模拟均布的太阳光压力，需要对喷水速度进行实时反馈控制，反馈量为实验体的姿态角和角速度。根据伯努利原理，无旋流体在同一管道内的流动满足伯努利方程。因此，通过控制储水装置上方的气体压强Pi1，可实时控制喷水口喷水的速度。压强控制系统由四部分组成，包括储水装置、高压气瓶、压强计和可控充放气阀门组成，如图 1所示。当需要增加压强Pi1时，打开可控充气阀门，迅速增加压强Pi1到目标压强处；当需要降低压强Pi1时，打开可控放气阀门，迅速降低压强Pi1到目标压强处。压强计作为压强控制系统的另一个反馈量，起到实时反馈储水装置上方的气体压强的作用。
控制压强的计算方法如下：假设由相似性理论得到的等效太阳光压力为FSRP_test，那么实验体表面上的每个喷水口需要产生的推力Fi为
在实验过程中，与实验体喷水口i相连的储水装置上方的气体压强记为Pi1，储水装置内水面下降的速度为vi1，储水装置内水面离水池底部的距离为hi1，喷水口i处的压强为Pi2，出水速度为vi2，离水池底部的距离为Zi。由于实验体姿态变化角速度不大，因此，水流在管道内可以假设为无旋流动。设计实验体时，要求9个喷水口的横截面积相同，记为Ap，由动量定律可得
因此，作用在喷水口i上的反推力
其中，vi0＝ωi×ri可通过求解得到。由于该模型使用喷水产生的反作用力来模拟作用在航天器表面的等效太阳光压力Fi。因此，在任意时刻，要求根据方程(1)和方程(3)，可以求得任意时刻喷水口i处需要的出水速度vi2。根据伯努利方程，无旋流动的流体满足
化简可得储水装置上方的气体压强Pi1为
在一次实验过程中，由于储水池内的水量远远大于喷水口i处喷出的水量，故储水池内水面下降速度可假设为0，即vi1＝0。根据液体压强公式，喷水口i处的压强可表示为
Pi2＝ρgHi1 (6)
因此，方程(5)可进一步化简为
本发明采用沿结构杆滑动的质量块和推力器联合控制的方法模拟空间中太阳帆姿态的调整。该控制机构的组成如下：太阳帆航天器的4根结构杆上分别安装四个可沿杆滑动的质量块，它们相对航天器质心的距离可精确测量和控制，结构示意图如图2所示。利用沿结构杆滑动的质量块进行姿态控制的原理如下：当航天器不需要产生姿态控制力矩是，四个质量块沿质心对称分布，此时，太阳帆质心与太阳光压力压心重合，太阳帆仅受到太阳光压力作用而不会受到力矩作用；当太阳帆需要进行姿态控制时，通过调整质量块位置可改变系统质心位置，使整个系统质心与太阳光压力压心之间产生可控偏距，产生所需要的姿态控制力矩。
在地面实验体建模过程中，综合考虑简化模型推导过程以及方便后期的实验体加工工艺，假设其四个质量块质量相等且初始位置位于形心处。当需要产生某个方向的控制力矩时，控制相应的质量块进行运动，改变质心和形心之间的距离。
由质量块产生控制力矩的原理示意图如图3所示，以在偏航轴oz上运动的质量块为例。首先定义太阳帆本体姿控坐标系c:oxyz，坐标原点位于形心o，oz轴正方向沿太阳帆偏航轴方向，ox轴垂直与太阳帆帆面，oy轴形成右手直角坐标系。不考虑工艺制造误差时，太阳帆的质心与形心(太阳光压力压心)重合。此时，太阳光压力对帆面的作用效果可以等效为1 个施加在原点上的力F和一个沿y轴正方向的力矩，当结构杆上的质量块不移动时，太阳光压力不会对太阳帆产生力矩作用。当质量为m的质量块在oz轴上运动时，太阳帆的质心位置就发生了变化。设质量块的位移为z(t)，则质心位置随时间变化的关系式为
式中M为除去一个质量块质量后的太阳帆航天器总质量。此时太阳光压产生的oy轴的俯仰轴控制力矩为
Ty＝Fz0 (9)
将式(8)代入式(9)得到沿oy轴的俯仰轴控制力矩为
同理，在oz轴上运动的质量块所产生的偏航轴控制力矩Tz可表示为下式：
另外，在真实太阳帆姿态控制过程中，常采用反作用飞轮、喷气控制等方式抵消由于上述两种姿态控制耦合导致的沿ox轴的滚转力矩。在本实验体设计过程中，由于考虑到实验体上安装有用于阻力补偿的螺旋桨推进器，故本实验体采用相应的螺旋桨推进器附带进行抵消沿 ox轴的滚转运动。若采用布置在oy轴或oz轴上的两个螺旋桨产生沿ox轴的控制力矩，则相应的控制力矩为
Tx＝2FTrT (12)
式(12)中，FT为单个推进器产生的用于产生沿ox轴的控制力矩的力，rT表示螺旋桨推进器的力臂。因此，实验体在上述三个姿态控制力矩作用下的姿态动力学方程可以表示为
其中，
在方程组(14)中，(Ix,Iy,Iz)是太阳帆的主转动惯量，mr为折合质量，计算公式为
Claims (6)
1.一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，包括水压控制层、质心控制层和质心平衡层，以及实验体侧边和顶角处均设置有的螺旋桨推进器(12)；
所述水压控制层包括喷水推进模型(1)，喷水推进模型(1)上开设有若干喷水口(2)，每个喷水口(2)均对应连接一组压强控制系统；
所述质心控制层用于固定姿态控制系统(8)，姿态控制系统(8)包括设置在太阳帆帆面(11)上呈X设置的四个结构杆(10)，每个结构杆(10)上均设置有能够在结构杆(10)上滑动的质量块(9)；
所述质心平衡层用于固定其它设备并调整质心使其位于实验体厚度方向的对称面上。
2.根据权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，所述压强控制系统包括与对应喷水口(2)连接的储水装置(3)，储水装置(3)上设置有压强计(5)和可控放气阀(7)，储水装置(3)顶部设置有高压气瓶(4)，高压气瓶(4)与储水装置(3)的连接处设置有可控充气阀(6)。
3.根据权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，所述喷水口(2)为九个，呈3×3式九宫格式布置，中间喷水口位于姿控坐标系oxyz的ox轴上，相邻的喷水口(2)间距为800mm。
4.根据权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体，其特征在于，所述四组螺旋桨推进器(12)为八个，分别设置在实验体的四个角以及侧边的中心。
5.权利要求1所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，给定预控制的太阳帆参数，包含尺寸参数、面质比参数和反射率参数，以太阳帆初始姿态、初始角速度、初始角加速度为初始输入量，得到t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度；
步骤二，由t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度和太阳帆参数求得该时刻太阳帆受到的太阳帆压力，然后由相似性原理得到实验体受到的等效总推力，进而算得此时实验体水压控制层上各个喷水口应通过喷水对实验体施加的等效反作用力；
步骤三，由t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度通过相似性原理得到该时刻实验体各个喷水口自身随实验体运动的速度以及各个喷水口的位置，联立以上三部分信息通过动量定理得到实验体水压控制层上各个喷水口需要的喷水速度，通过测量系统测得此时喷水口的位置参数，然后由喷水口位置和喷水口喷水速度联立通过伯努利方程得到各个喷水口上方连接的储水装置中所需的气体压强Pt；
步骤四，通过压强控制系统的压强计测得t0时刻储水装置中气体的压强P0，将P0的值与Pt的值进行比较，调节可控充气阀和可控放气阀，直至Pt＝P0关闭充气阀或放气阀，结束对储水装置气压的调整；
步骤五，t0时刻太阳帆姿态、角速度、角加速度、太阳帆参数和太阳帆理想姿态运动轨迹进入待验证控制律中，控制律给出相应的四个质量块的位置参数，实验体上的执行机构电机控制质量块按控制律给出的指令运动；
步骤六，在喷水口喷水产生反作用力和质量块移动导致实验体质心变化的共同作用下，实验体会发生位置和姿态的变化，通过测量系统测得t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度；
步骤七，将t时刻实验体的姿态、角速度、角加速度作为输入量更新t0时刻对应的参数；
步骤八，重复步骤一至七，即可得到从起始时刻到终止时刻，每相隔t时刻实验体的实际姿态、角速度、角加速度，将实验体的实际姿态与理想的姿态轨迹进行比较，分析被验证控制律的性能。
6.根据权利要求5所述的一种高面质比航天器姿态控制地面等效模拟实验体的实验方法，其特征在于，所述步骤四中，若Pt＞P0则打开与高压气瓶连接的可控充气阀对储水装置充气，否则打开出水装置顶端的可控放气阀排出储水装置中部分气体，在充气或放气期间实时更新储水装置顶端的压强计的测量值P0。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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