CN109116750A - 液体晃动力矩模拟生成器、生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液体晃动力矩模拟生成器，包含控制力矩陀螺与外框架；所述外框架包含一个或多个框架轴，一个或多个控制力矩陀螺安装在框架轴上；多个所述控制力矩陀螺分布在棱锥形状的多个侧面上。本发明还提供了一种液体晃动力矩模拟生成装置及其模拟方法。本发明提供的液体晃动力矩模拟生成器提供了一种可实时生成液体晃动干扰力矩的结构装置，其转动过程中质心变化较小，适用于三轴气浮台全物理仿真试验，可避免出现气浮台倒台现象。

Description

液体晃动力矩模拟生成器、生成装置及方法

技术领域

本发明涉及航天领域、仿真实验装置领域，具体地，涉及一种液体晃动力矩模拟生成器，特别是一种适用于三轴气浮台全物理仿真的液体晃动力矩模拟生成器。

背景技术

航天器为了具备脱离地球引力、进入GEO转移轨道或进入星地间转移轨道以及再入行星、绕飞行星等能力，一般都装有大型充液贮箱，有时星载液体燃料量与全星质量比高达50％～60％，甚至更高。因此，液体燃料晃动与全星控制的耦合作用大大加强，对控制系统稳定性设计提出了严峻挑战。尤其在变轨机动段，由于发动机点火且推力方向偏心，或是姿控推力器喷气，都可能激起贮箱中液体燃料的小幅晃动乃至大幅晃动，产生干扰力矩，从而影响航天器点火姿态，引起轨道控制偏离，甚至造成航天器不能进入预定轨道，导致最终任务失败。严重时，液体燃料低频大幅晃动还会导致全星控制失稳甚至结构破坏。在航天飞行史上，由于对贮箱内燃料运动缺乏透彻研究而发生过航天器姿控系统失灵的事故，1996年美国NASA发射的Near Earth Asteroid Rendezvous(NEAR)航天器在执行近地小行星探测任务时，由于卫星姿态与晃动之间的耦合导致整个推进系统失效，使任务延迟了13个月。可见，液体晃动对整星动力学的影响研究具有明显的工程应用价值，关系到未来多个型号的成败，迫切需要集中人力物力开展相关方面的研究。

目前，微重力状态下的液体晃动试验主要包括地面缩比模型试验、落塔试验、空间微重力试验、地面晃动试验等。相关文献包含：

[1]林宏,彭慧莲,董锴,.推进剂贮箱液体晃动的仿真研究与验证[J].强度与环境,2011,(5).

[2]夏益霖.微重力落塔试验技术及其应用(Ⅰ)[J].强度与环境,1995,(2).

[3]张景芳.球锥贮箱微重力试验研究[J].强度与环境,1996,(4).

[4]陈健,范晴云.贮箱内推进剂微重力下晃动的有限元模拟及试验[J].上海航天,2004,(3).

[5]魏延明,潘海林.表面张力贮箱的微重力实验验证——静平衡与重定位[J].航天控制,1998,(3).

[6]陈雨春，王德汉.失重飞机抛物线飞行和应用[J].航天医学与医学工程,1994,(4).

[7]曲广吉,孙国江,张熇,.航天器小幅液体晃动试验系统的研制与调试[J].航天器工程,1998,(2).

[8]王天舒,张鹏飞,.充液卫星地面物理仿真方法[J].清华大学学报(自然科学版),2015,(10).

地面缩比模型试验[1]由于模型尺寸很小，较难保证试验参数与实际工况相似。落塔试验[2]、[3]、[4]通过使落舱系统进行自由落体运动，根据相似准则获得微重力环境。文献[5]按照相似理论用缩比模型进行了一系列微重力落塔实验，然后根据测定的重定位时间计算出原型表面张力贮箱的重定位时间。但落塔实验时间较短，无法观察到液体晃动的完整过程；空间微重力试验[6]利用空间站、飞机抛物线飞行或微重力火箭等条件实现微重力，但试验成本较高。这类液体晃动试验均只针对液体晃动过程及其特性进行试验，仅能实现参数的测量，无法对卫星姿态控制系统与液体晃动耦合特性进行测试，且测试时间有限，不能完全反映储箱长时间晃动后的特性。文献[7]详细描述了一种利用弹簧、小车组成的储箱液体晃动参数测量装置，给出了设计方案和试验步骤。但该方法仅解决了液体晃动对外输出力和力矩的问题，未能与整星动力学进行交互。陈建、范晴云在《上海航天》2004年第3期的文章《储箱内推进剂微重力下晃动的有限元模拟及试验》中描述了一种利用高塔自由落体的液体晃动参数测量方法，避免了重力对整个系统的干扰，结果表明测试数据与仿真数据基本一致。文献[8]中提出一种提出利用飞轮施加卫星充液贮箱内液体的晃动力矩的方案，该文章重点介绍了液体晃动力矩的模拟方法，未涉及充液航天器对姿态动力学影响分析，也未介绍地面物理仿真方法的具体实施途径。

贮箱内液体燃料的晃动对航天器产生的影响主要有质心变化和干扰力矩。三轴气浮台对台体质心控制有严格要求，若在气浮台上安装液体贮箱，试验过程中贮箱内液体晃动引起的质心变化会影响气浮台的控制，严重时还会发生倒台。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种液体晃动力矩模拟生成器、生成装置及方法。

根据本发明提供的液体晃动力矩模拟生成器，包含控制力矩陀螺与外框架；所述外框架包含一个或多个框架轴，一个或多个控制力矩陀螺安装在框架轴上；

多个所述控制力矩陀螺分布在棱锥形状的多个侧面上。

优选地，控制力矩陀螺与框架轴一一对应，单个侧面上的控制力矩陀螺的长度延伸方向与框架轴的长度延伸方向一致。

优选地，包含四个控制力矩陀螺分别分布在正四棱锥形状的四个侧面上；

所述框架轴沿三角形侧面上经过顶点的垂线的延伸方向进行延伸。

优选地，所述控制力矩陀螺长度延伸方向与正四棱锥形状的高度延伸方向的夹角β均为53.1°。

本发明还提供了一种液体晃动力矩模拟生成系统，包含三轴气浮台与上述的液体晃动力矩模拟生成器；

所述液体晃动力矩模拟生成器安装在三轴气浮台上。

优选地，所述三轴气浮台上还设置有控制器。

本发明还提供了一种液体晃动力矩模拟生成方法，包含以下步骤：

控制力矩生成步骤：根据设定的控制算法，控制三轴气浮台动作，生成控制力矩；

干扰力矩生成步骤：根据设定的液体晃动力矩模拟算法，控制外框架角速度，生成液体晃动干扰力矩；

姿态角速度获取步骤：获取控制力矩与液体晃动干扰力矩叠加状态下的姿态角速度信息。

优选地，还包含反馈步骤：将姿态角速度信息反馈至控制算法与液体晃动力矩模拟算法中，直至反馈次数达到设定值，或者直至姿态角速度信息的误差在设定范围内。

优选地，所述干扰力矩生成步骤中，外框架角速度采用如下控制律：

C＝Acosδ-Bsinδ

D＝det(CC^T)

式中：表示外框架角速度，其中δ＝[δ₁,δ₂,δ₃,δ₄]^T，δ₁、δ₂、δ₃、δ₄分别为四个控制力矩陀螺对应框架轴的转角矢量，上标·表示求取关于时间的一阶导数；

A、B、C、D均为中间变量；上标T表示求转置矩阵；

T_L为液体晃动力矩；

h为控制力矩陀螺最大角动量；

α为权系数；E为单位矩阵；

β为控制力矩陀螺长度延伸方向与正四棱锥形状的高度延伸方向的夹角；

det()表示求取行列式运算。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的液体晃动力矩模拟生成器提供了一种可实时生成液体晃动干扰力矩的结构装置，其转动过程中质心变化较小，适用于三轴气浮台全物理仿真试验，可避免出现气浮台倒台现象。

2、本发明仅模拟产生液体晃动形成的干扰力矩，以便于开展三轴气浮台全物理仿真。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的液体晃动力矩模拟生成器构型示意图；图中a为体现四个控制力矩陀螺分布规律的四棱锥形状；

图2为本发明在三轴气浮台全物理闭环仿真中的实施示意图；

图3是某工况下需模拟的液体晃动干扰力矩图。

图4是本发明实际生成的力矩图。

图5是本发明实际生成力矩与期望力矩的偏差图。

图中示出：控制力矩陀螺1。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的液体晃动力矩模拟生成器，包含控制力矩陀螺与外框架。所述外框架包含一个或多个框架轴，一个或多个控制力矩陀螺安装在框架轴上，多个所述控制力矩陀螺组成控制力矩陀螺群，并且分布在棱锥形状的多个侧面上。此外，实施例中控制力矩陀螺与框架轴一一对应，即每个侧面上设置有一个控制力矩陀螺安装在一根框架轴上。单个侧面上的控制力矩陀螺的长度延伸方向与框架轴的长度延伸方向一致。

实施例中，包含四个控制力矩陀螺分别分布在正四棱锥形状的四个侧面上，所述框架轴沿三角形侧面上经过顶点的垂线的延伸方向进行延伸。所述控制力矩陀螺长度延伸方向与正四棱锥形状的高度延伸方向的夹角β均为53.1°。也就是说，本发明提供的液体晃动力矩模拟生成器中控制力矩陀螺按照金字塔构型布局，可以利用控制力矩陀螺框架运动生成三轴方向(x_b、y_b、z_b)的力矩模拟卫星贮箱中的液体晃动对星体产生的力矩。

本发明还提供了一种液体晃动力矩模拟生成系统，包含三轴气浮台与上述的液体晃动力矩模拟生成器；所述液体晃动力矩模拟生成器安装在三轴气浮台上。所述三轴气浮台上还设置有控制器。本发明应用于三轴气浮台全物理仿真时，与三轴气浮台和台上控制器的关系如图2所示。

相应地，本发明一种液体晃动力矩模拟生成方法，包含以下步骤：控制力矩生成步骤：根据设定的控制算法，控制三轴气浮台动作，生成控制力矩；干扰力矩生成步骤：根据设定的液体晃动力矩模拟算法，控制外框架角速度，生成液体晃动干扰力矩；姿态角速度获取步骤：获取控制力矩与液体晃动干扰力矩叠加状态下的姿态角速度信息。另外，优选地，还包含反馈步骤：将姿态角速度信息反馈至控制算法与液体晃动力矩模拟算法中，直至反馈次数达到设定值，或者直至姿态角速度信息的误差在设定范围内。

所述干扰力矩生成步骤中，外框架角速度采用如下控制律：

C＝Acosδ-Bsinδ

D＝det(CC^T)

式中：表示外框架角速度，其中δ＝[δ₁,δ₂,δ₃,δ₄]^T，δ₁、δ₂、δ₃、δ₄分别为四个控制力矩陀螺对应框架轴的转角矢量，上标·表示求取关于时间的一阶导数；A、B、C、D均为中间变量；上标T表示求转置矩阵；T_L为液体晃动力矩；h为控制力矩陀螺最大角动量；α为权系数；E为单位矩阵；β为控制力矩陀螺长度延伸方向与正四棱锥形状的高度延伸方向的夹角；det()表示求取行列式运算。

图3为需模拟产生的液体晃动三轴干扰力矩。经仿真，图4为本发明实际产生的三轴力矩，其力矩偏差如图5所示。可见，采用本发明的液体晃动力矩生成装置，可有效模拟液体晃动三轴干扰力矩，模拟误差约为2％。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种液体晃动力矩模拟生成器，其特征在于，包含控制力矩陀螺与外框架；所述外框架包含一个或多个框架轴，一个或多个控制力矩陀螺安装在框架轴上；

多个所述控制力矩陀螺分布在棱锥形状的多个侧面上。

2.根据权利要求1所述的液体晃动力矩模拟生成器，其特征在于，控制力矩陀螺与框架轴一一对应，单个侧面上的控制力矩陀螺的长度延伸方向与框架轴的长度延伸方向一致。

3.根据权利要求2所述的液体晃动力矩模拟生成器，其特征在于，包含四个控制力矩陀螺分别分布在正四棱锥形状的四个侧面上；

所述框架轴沿三角形侧面上经过顶点的垂线的延伸方向进行延伸。

4.根据权利要求3所述的液体晃动力矩模拟生成器，其特征在于，所述控制力矩陀螺长度延伸方向与正四棱锥形状的高度延伸方向的夹角β均为53.1°。

5.一种液体晃动力矩模拟生成系统，其特征在于，包含三轴气浮台与权利要求1至4中任一项所述的液体晃动力矩模拟生成器；

所述液体晃动力矩模拟生成器安装在三轴气浮台上。

6.根据权利要求5所述的液体晃动力矩模拟生成系统，其特征在于，所述三轴气浮台上还设置有控制器。

7.一种液体晃动力矩模拟生成方法，其特征在于，包含以下步骤：

控制力矩生成步骤：根据设定的控制算法，控制三轴气浮台动作，生成控制力矩；

干扰力矩生成步骤：根据设定的液体晃动力矩模拟算法，控制外框架角速度，生成液体晃动干扰力矩；

姿态角速度获取步骤：获取控制力矩与液体晃动干扰力矩叠加状态下的姿态角速度信息。

8.根据权利要求7所述的液体晃动力矩模拟生成方法，其特征在于，还包含反馈步骤：将姿态角速度信息反馈至控制算法与液体晃动力矩模拟算法中，直至反馈次数达到设定值，或者直至姿态角速度信息的误差在设定范围内。

9.根据权利要求7所述的液体晃动力矩模拟生成方法，其特征在于，所述干扰力矩生成步骤中，外框架角速度采用如下控制律：

C＝Acosδ-Bsinδ

D＝det(CC^T)

式中：表示外框架角速度，其中δ＝[δ₁,δ₂,δ₃,δ₄]^T，δ₁、δ₂、δ₃、δ₄分别为四个控制力矩陀螺对应框架轴的转角矢量，上标·表示求取关于时间的一阶导数；

A、B、C、D均为中间变量；上标T表示求转置矩阵；

T_L为液体晃动力矩；

h为控制力矩陀螺最大角动量；

α为权系数；E为单位矩阵；

β为控制力矩陀螺长度延伸方向与正四棱锥形状的高度延伸方向的夹角；

det()表示求取行列式运算。