CN111891404A - 高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法及系统，包括霍尔推力器布局设计、离子推力器布局设计、化学推力器布局设计和综合优化布局设计。根据霍尔推力器特点，用于轨道机动任务；根据离子推力器特点，用于南北位保轨道保持任务；根据化学推力器特点，用于三轴姿态机动任务和高轨卫星频繁的轨道机动任务；综合三种推力器优缺点，考虑卫星重量、能源等约束，优化布局设计，用尽可能少的推力器实现在轨全向轨道和三轴姿态的机动能力，并考虑冗余备份。
Description
技术领域
本发明涉及卫星结构布局、推力器布局分析等领域，特别涉及一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法及系统。
背景技术
高轨机动卫星经过多次变轨消耗推进剂才能进入预定轨道，剩余的推进剂只有几百公斤，发射入轨后，在轨运行期间除位置保持、角动量卸载、捕获太阳等任务以外，会频繁的进行轨道机动来完成在轨任务，如轨道保持，升降轨等，这些轨道机动任务需要消耗大量的推进剂。
目前，绝大多数高轨卫星用化推进行轨道控制，随着电推进技术的发展，一些卫星也开始采用电推作为执行机构，电推进推力较小，一般为几十豪牛到百豪牛量级，不能用于卫星的快速任务，如快速轨道机动等，且电推消耗的功率高，一般的卫星受轨道和帆板大小限制，难以使用大量的电推力器。
但电推进有比冲大的优点，而且不消耗化学燃料，使用太阳能帆板转化成的电能工作，具有高寿命的优点。因此可用于长期的轨道机动和小范围的轨道保持，也可用于角动量卸载。
近年来，电推进成为研究的热点，并且应用于卫星之上，如我国的东方红三号B卫星平台，设计并验证了使用寿命一万小时量级、推力几十豪牛量级的电推进产品。
综合电推和化推的优点，可以设计一种电化双模的推力器方案，满足高轨机动卫星的在轨应用需求。
发明专利“一种针对全电推进卫星的推力器布局方法”(专利号：CN201611046925.5)提出了全电推卫星的推力器布局方法，发明专利“高轨道卫星平台10N推力器布局方法”(专利号：CN201110226169.5)提出了化学推力器10N推力器在高轨道卫星平台上的布局方法，但均未设计电化双模推力器布局方法。本方法解决了高轨机动卫星平台电化双模推力器布局问题。
发明内容
为充分利用电推和化推的优点，本发明提出了一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法及系统。
本发明提供了一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法，包括如下步骤：
步骤1、以轨道机动任务所需力的方向作为霍尔推力器布局设计输入。霍尔推力器需提供-Z方向的力，霍尔推力器需布局在卫星本体+Z方向；考虑卫星在轨质心抬高，霍尔推力器需布局在平均质心附近；考虑冗余备份和轨道机动的时间和速度增量限制，需布局两台霍尔推力器。考虑高轨帆板正负Y布局的约束，霍尔推力器束流发散角不影响帆板。
步骤2、以南北位保轨道保持所需力的方向作为离子推力器布局设计输入。离子推力器需提供-Y方向的力，离子推力器需布局在卫星本体+Y方向；考虑卫星在轨质心抬高，离子推力器需布局在平均质心附近；离子推力器尺寸大，难以布局在平均质心附近的同一位置，需布局两台离子推力器同时工作提供-Y方向的力；考虑高轨帆板正负Y布局的约束，离子推力器束流发散角不影响帆板。
步骤3、以三轴姿态机动任务和高轨卫星频繁的轨道机动任务所需力和力矩方向作为化学推力器布局设计输入。化学推力器需提供±X、±Y和±Z六个方向的力，可采用力偶和安装在平心质心的方式；化学推力器需提供±X、±Y和±Z六个方向的三轴力矩，根据卫星尺寸和平均质心位置合理的安装使得力臂尽可能的优；考虑冗余备份，使用双分支推力器；考虑力偶对轨控干扰的影响，布局方案力偶对轨控干扰应尽可能小；考虑高轨帆板正负Y布局的约束，化学推力器羽流不影响帆板。
步骤4、根据霍尔推力器、离子推力器、化学推力器的布局设计约束，综合进行优化设计，考虑化学推力器对电推的力和干扰力矩平衡等因素，用尽可能少的推力器实现姿态和轨道控制任务需求。
本发明还提供了一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局系统，包括以下模块：
霍尔推力器布局模块：以轨道机动任务所需力的方向作为霍尔推力器布局设计输入，霍尔推力器提供-Z方向的力，霍尔推力器布局在卫星本体+Z方向；
离子推力器布局模块：以南北位保轨道保持所需力的方向作为离子推力器布局设计输入，离子推力器提供-Y方向的力，离子推力器布局在卫星本体+Y方向；
化学推力器布局模块：以三轴姿态机动任务和高轨卫星频繁的轨道机动任务所需力和力矩方向作为化学推力器布局设计输入，化学推力器提供±X、±Y和±Z六个方向的力，采用力偶和安装在平心质心的方式；化学推力器提供±X、±Y和±Z六个方向的三轴力矩；
综合优化模块：根据霍尔推力器、离子推力器、化学推力器的布局设计约束，并考虑化学推力器对电推的力和干扰力矩平衡的因素，实现姿态和轨道控制任务需求的同时保证推力器数量少；
其中：以卫星本体为中心建立X、Y、Z轴，分别对应X、Y、Z方向。
优选地，霍尔推力器布局模块包括：
霍尔推力器布局靠近平均质心；
霍尔推力器布置有多个；
霍尔推力器束流发散角不影响帆板。
优选地，离子推力器布局模块包括：
离子推力器布局靠近平均质心；
离子推力器布置有多个；
离子推力器束流发散角不影响帆板。
优选地，化学推力器布局模块包括：
根据卫星尺寸、平均质心位置的因素安装化学推力器并优化力臂；
化学推力器采用双分支推力器；
化学推力器布局方案力偶避免对轨控干扰；
化学推力器羽流不影响帆板。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明面向卫星推力器布局设计，结合电推和化推的优缺点，以及高轨机动卫星频繁轨道机动的特点，得到一种电化双模高轨机动卫星的推力器布局方案；
2、本发明能够采用尽可能少的推力器实现姿态和轨道控制任务需求。
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：
附图1为本发明的一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法组成示意图。
附图2为本发明的一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法得到的推力器布局方案图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
结合附图1和附图2说明，本发明包括四个部分：霍尔推力器布局设计、离子推力器布局设计、化学推力器布局设计和综合优化布局设计。
步骤1、以轨道机动任务所需力的方向作为霍尔推力器布局设计输入。霍尔推力器需提供-Z方向的力，霍尔推力器需布局在卫星本体+Z方向；考虑卫星在轨质心抬高，霍尔推力器需布局在平均质心附近；考虑冗余备份和轨道机动的时间和速度增量限制，需布局两台霍尔推力器。考虑高轨帆板正负Y布局的约束，霍尔推力器束流发散角不影响帆板。
如附图2所示，两台霍尔推力器安装在卫星本体+Z方向平均质心附近，提供-Z方向的力，与卫星本体三轴夹角如下表所示。
表1霍尔推力器与卫星本体三轴夹角
定义“推力矢量与坐标轴夹角”(alpha、beita、gama)为推力方向与卫星布局坐标系+X、+Y、+Z轴的方向余弦角。
步骤2、以南北位保轨道保持所需力的方向作为离子推力器布局设计输入。离子推力器需提供-Y方向的力，离子推力器需布局在卫星本体+Y方向；考虑卫星在轨质心抬高，离子推力器需布局在平均质心附近；离子推力器尺寸大，难以布局在平均质心附近的同一位置，需布局两台离子推力器同时工作提供-Y方向的力；考虑高轨帆板正负Y布局的约束，离子推力器束流发散角不影响帆板。
如附图2所示，两台离子推力器安装在卫星本体+Y方向平均质心附近，同时工作提供-Y方向的力，与卫星本体三轴夹角如下表所示。
表2离子推力器与卫星本体三轴夹角
步骤3、以三轴姿态机动任务和高轨卫星频繁的轨道机动任务所需力和力矩方向作为化学推力器布局设计输入。化学推力器需提供±X、±Y和±Z六个方向的力，可采用力偶和安装在平心质心的方式；化学推力器需提供±X、±Y和±Z六个方向的三轴力矩，根据卫星尺寸和平均质心位置合理的安装使得力臂尽可能的优；考虑冗余备份，使用双分支推力器；考虑力偶对轨控干扰的影响，布局方案力偶对轨控干扰应尽可能小；考虑高轨帆板正负Y布局的约束，化学推力器羽流不影响帆板。
如附图2所示，10N推力器共AB组、13对26台推力器，提供全向轨道和三轴姿态机动所需的力和力矩，与卫星本体三轴夹角如下表所示。
表3离子推力器与卫星本体三轴夹角
步骤4、根据霍尔推力器、离子推力器、化学推力器的布局设计约束，综合进行优化设计，考虑化学推力器对电推的力和干扰力矩平衡等因素，用尽可能少的推力器实现姿态和轨道控制任务需求。
如附图2所示，电化双模推力器布局合理可行，所设计的推力器力偶对轨控干扰可能小，适应轨道转移段以及在轨段质心变化，A12、A13、B12、B13用于沉底、490N纠偏、X向轨控、俯仰和偏航姿控，纠偏对轨控有冲量贡献；A1/B1、A2/B2、A3/B3提供俯仰姿控力偶，Z方向推力；A4/B4至A9/B9提供滚动轴、偏航轴姿控力偶，提供位保推力，平衡电推偏心干扰力臂大，效率高；A10/B10、A11/B11提供-X推力。
化学推力器分配策略如下表所示。
表4化学推力器使用分配策略
两台离子推力器同时工作提供-Y方向的力执行南北位保轨道保持任务，两台霍尔推力器可单独工作提供-Z方向的力，执行轨道机动任务。
以上是对本发明“一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法”的步骤说明，本发明结合电推和化推的优点，以及高轨机动卫星频繁轨道机动的特点，提出一种推力器布局方法，工程上易于实现。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化或修改，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 (8)
1.一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法，其特征在于，包括以下步骤：
霍尔推力器布局步骤：以轨道机动任务所需力的方向作为霍尔推力器布局设计输入，霍尔推力器提供-Z方向的力，霍尔推力器布局在卫星本体+Z方向；
离子推力器布局步骤：以南北位保轨道保持所需力的方向作为离子推力器布局设计输入，离子推力器提供-Y方向的力，离子推力器布局在卫星本体+Y方向；
化学推力器布局步骤：以三轴姿态机动任务和高轨卫星频繁的轨道机动任务所需力和力矩方向作为化学推力器布局设计输入，化学推力器提供±X、±Y和±Z六个方向的力，采用力偶和安装在平心质心的方式；化学推力器提供±X、±Y和±Z六个方向的三轴力矩；
综合优化步骤：根据霍尔推力器、离子推力器、化学推力器的布局设计约束，并考虑化学推力器对电推的力和干扰力矩平衡的因素，实现姿态和轨道控制任务需求的同时保证推力器数量少；
其中：以卫星本体为中心建立X、Y、Z轴，分别对应X、Y、Z方向。
2.根据权利要求1所述的高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法，其特征在于，霍尔推力器布局步骤包括：
霍尔推力器布局靠近平均质心；
霍尔推力器布置有多个；
霍尔推力器束流发散角不影响帆板。
3.根据权利要求1所述的高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法，其特征在于，离子推力器布局步骤包括：
离子推力器布局靠近平均质心；
离子推力器布置有多个；
离子推力器束流发散角不影响帆板。
4.根据权利要求1所述的高轨机动卫星平台电化双模推力器布局方法，其特征在于，化学推力器布局步骤包括：
根据卫星尺寸、平均质心位置的因素安装化学推力器并优化力臂；
化学推力器采用双分支推力器；
化学推力器布局方案力偶避免对轨控干扰；
化学推力器羽流不影响帆板。
5.一种高轨机动卫星平台电化双模推力器布局系统，其特征在于，包括以下模块：
霍尔推力器布局模块：以轨道机动任务所需力的方向作为霍尔推力器布局设计输入，霍尔推力器提供-Z方向的力，霍尔推力器布局在卫星本体+Z方向；
离子推力器布局模块：以南北位保轨道保持所需力的方向作为离子推力器布局设计输入，离子推力器提供-Y方向的力，离子推力器布局在卫星本体+Y方向；
化学推力器布局模块：以三轴姿态机动任务和高轨卫星频繁的轨道机动任务所需力和力矩方向作为化学推力器布局设计输入，化学推力器提供±X、±Y和±Z六个方向的力，采用力偶和安装在平心质心的方式；化学推力器提供±X、±Y和±Z六个方向的三轴力矩；
综合优化模块：根据霍尔推力器、离子推力器、化学推力器的布局设计约束，并考虑化学推力器对电推的力和干扰力矩平衡的因素，实现姿态和轨道控制任务需求的同时保证推力器数量少；
其中：以卫星本体为中心建立X、Y、Z轴，分别对应X、Y、Z方向。
6.根据权利要求5所述的高轨机动卫星平台电化双模推力器布局系统，其特征在于，霍尔推力器布局模块包括：
霍尔推力器布局靠近平均质心；
霍尔推力器布置有多个；
霍尔推力器束流发散角不影响帆板。
7.根据权利要求5所述的高轨机动卫星平台电化双模推力器布局系统，其特征在于，离子推力器布局模块包括：
离子推力器布局靠近平均质心；
离子推力器布置有多个；
离子推力器束流发散角不影响帆板。
8.根据权利要求5所述的高轨机动卫星平台电化双模推力器布局系统，其特征在于，化学推力器布局模块包括：
根据卫星尺寸、平均质心位置的因素安装化学推力器并优化力臂；
化学推力器采用双分支推力器；
化学推力器布局方案力偶避免对轨控干扰；
化学推力器羽流不影响帆板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Zhansheng Inventor after: Zhao Hui Inventor after: Cui Benjie Inventor after: Deng Hong Inventor after: Huang Xiaohu Inventor after: Zhao Qingguang Inventor after: Chen Shuangquan Inventor before: Zhao Hui Inventor before: Cui Benjie Inventor before: Deng Hong Inventor before: Chen Zhansheng Inventor before: Huang Xiaohu Inventor before: Zhao Qingguang Inventor before: Chen Shuangquan |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201106 |