姿態控制發動機

姿態控制發動機(attitude control engine)主要用於運載火箭末級、飛彈彈頭和各類太空飛行器的姿態控制。這類發動機有時也用於推進劑沉底、速度修正、軌道修正和位置保持。

姿態控制系統是太空梭軌道器入軌、再人、降落以及發射衛星等不可缺少的動力裝置。此外,姿態控制系統還可以為輔助動力系統提供動力源。

基本介紹

• 中文名：姿態控制發動機
• 外文名：attitude control engine
• 主要用於：運載火箭末級、飛彈彈頭
• 也用於：推進劑沉底、速度修正
• 特點：推力範圍很廣
• 工作形式：脈衝式

簡介

它的特點是：要求的推力範圍很廣，為0.02～2000牛（0.002～200公斤力）；能脈衝式工作，起動次數可多達數十萬次，最小脈衝寬度為幾毫秒；總工作時間（工作時間與間歇時間的總和）可長達5～10年。姿態控制發動機通常由一套增壓系統、 貯箱、推進劑供應系統和幾組不同推力的推力室組成。按液體推進劑的組元數分為單元和雙元推進劑姿態控制發動機兩種。

分類

單元推進劑姿態控制發動機

早期使用過氧化氫為推進劑，由於比沖較低（約150秒）逐漸為肼所取代。經常使用的是肼催化分解發動機。發動機推力室內裝有含銥基活性材料的催化劑。肼進入推力室後經過催化分解生成高溫氣體自噴管排出產生推力，比沖為220～230秒。催化劑工作一段時間後逐漸損耗，活性降低，影響發動機性能，因此催化分解發動機的壽命有一定限制。另一種是電熱肼分解發動機，它利用電加熱使肼在870～980°C的高溫室內分解，生成高溫氣體，從噴管排出產生推力。這種發動機和催化分解發動機相比，避免了使用催化劑所帶來的問題，工作壽命長，但受電功率的限制僅適用於微推力（小於1牛或0.1公斤力）發動機。利用電熱提高肼分解所生成的氣體的溫度，可以提高發動機的比沖，減小肼的流量，延長飛行器的工作壽命。

肼的冰點為1.4°C，在低溫環境下工作時必須對肼分解發動機採取溫度控制措施。在肼內加入合適的添加劑可以提高肼的冰點。

雙元推進劑姿態控制發動機

工作原理與一般的擠壓式液體火箭發動機相同，經常使用的推進劑為四氧化二氮和肼類燃料（一甲基肼、偏二甲肼等）。這種發動機的比沖高（大於290秒），工作壽命長，反應速度快。

由於姿態控制發動機在失重條件下工作，貯箱內的推進劑會產生懸浮運動，並與增壓氣體相混合，以致影響發動機的正常工作。通常在貯箱內採用柔性膠囊、金屬波紋管或表面張力網等，將推進劑與增壓氣體隔開。氣體通過膠囊或波紋管擠壓推進劑。

除液體推進劑姿態控制發動機外，還有採用冷氣噴管和熱氣噴管作為動力源的，但它們僅適用於推力小於20牛（約2公斤力）和總衝量小於5000牛·秒（約500公斤力·秒）的太空飛行器。冷氣噴管的工作介質是惰性氣體，系統簡單，但性能低，比沖僅65～75秒。熱氣噴管的工作介質是加熱的惰性氣體、主發動機燃氣發生器或固體火藥產生的燃氣等，比沖為100～200秒。

點火裝置

A型雙防電發火管作為該發動機的點火裝置。它由一對橋帶式電發火管組成 ,對發動機實施尾部點火 ,具有防靜電、防射頻、防核輻射能力 ,能夠在γ射線劑量率 1 0 8Gy/s的狀態下實現 1 W,5min不發火。它體積小、重量輕、價格低廉 ,該裝置套用於姿態控制發動機表現出較高的可靠性 ,可以廣泛用於姿態控制或戰術型號發動機。

有關係統（姿態控制系統）

系統簡述

姿態控制

a.姿態確定研究太空飛行器相對於某個基準的確定姿態方法；可以是慣性基準或其他基準，如地球；採用姿態敏感器和相應的數據處理方法；確定精度取決於數據處理方法和敏感器精度。

b. 姿態控制在規定或預定方向(參考方向)上定向的過程；姿態穩定是指使姿態保持在指定方向；姿態機動是指太空飛行器從一個姿態過渡到另一個姿態的再定向過程。

姿態穩定

a.特點長期而持續的所需控制力矩較小

b.種類定向粗對準精對準

姿態機動

a.特點短暫過程所需控制力矩較大

b.種類再定向捕獲跟蹤和搜尋.

姿態控制與軌道控制的關係為實現軌道控制，太空飛行器姿態必須符合要求；在某些具體情況或某些飛行過程中，可把姿態控制和軌道控制分開考慮；某些套用任務對太空飛行器軌道沒有嚴格要求，而對太空飛行器姿態確有要求；例如：空間環境探測衛星繞地球的運行往往不需要軌道控制，衛星在克卜勒軌道上運行就能滿足對環境探測的要求。

姿態控制系統分類

a.根據姿態穩定方式三軸穩定.保持太空飛行器本體三條正交軸線在某一參考空間的方向自旋穩定.繞自旋軸旋轉，依靠旋轉動量矩在慣性空間的指向

b.根據力來源被動控制.不需消耗星上能源，如重力梯度力矩、磁力矩等主動控制.星上自主控制、星－地大迴路控制，消耗電能和工質

姿態控制系統的設計要求可靠性控制性能

a.動量、穩定性

b.穩態精度

c.動態回響控制系統質量和能源需求附帶要求a.經濟性b.堅固性c.生產可能性

姿態控制系統的作用

功能：穩定和控制彈（箭）繞其質心的角運動。

穩定作用：克服各種干擾，使彈（箭）的姿態角相對於原來姿態角的偏差控制在允許範圍內。

控制作用：按制導系統發出的指令控制彈體的姿態，從而實現要求的質心運動。

姿態控制系統接受兩方面控制信息：姿態敏感器——彈（箭）受干擾後，使姿態偏離原來狀態而產生的信息

來自製導系統——彈道程式轉彎的程式角指令和導引指令。