控制力矩陀螺的高頻微振動特性研究

《控制力矩陀螺的高頻微振動特性研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由蔣建平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：控制力矩陀螺的高頻微振動特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔣建平
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

衛星的高姿態穩定度是確保高解析度成像的關鍵之一。作為衛星姿態控制系統的執行機構，控制力矩陀螺（Control Moment Gyro，CMG）在工作時產生的高頻微振動將嚴重影響衛星姿態穩定精度，降低成像質量。因此，必須對這種微振動實施控制。但是，對CMG高頻微振動產生的機理、振動特性、振動傳播特性以及CMG群組的振動特性，目前還沒有很好的理論解釋和分析方法。針對這些問題，本項目首先基於Herztian彈性接觸理論研究架構靜止時CMG的微振動特性，然後建立框架運動時系統的耦合動力學模型，套用多尺度方法分析系統的微振動特性，並研究不同構型CMG群組的微振動特性，最後將實驗測量的CMG微振動特性與理論分析結果進行對比。通過研究，揭示CMG產生高頻微振動的機理，準確把握它的振動特性，提供較為準確的理論分析模型，為CMG高頻微振動的控制奠定基礎。

結題摘要

高解析度對地觀測、深空探測、雷射通信等航天任務，對太空飛行器指向精度和姿態穩定度提出了越來越高的要求。控制力矩陀螺（CMG）是典型的太空飛行器姿態控制執行機構，在工作時產生的微振動將嚴重影響太空飛行器姿態穩定度。控制力矩陀螺的微振動擾動，已成為制約高精度太空飛行器發展的瓶頸之一。 針對CMG微振動問題，項目從CMG動量輪系統擾動特性、動量輪系統與框架系統耦合動力學特性、CMG群組與隔振平台耦合動力學特性、動量輪與CMG微振動試驗測試等方面開展了研究，取得的主要成果如下： 1.建立了CMG動量輪系統的擾動動力學模型，揭示了質量不平衡和軸承非線性產生的擾動力和力矩的規律。提出了基於力/位移傳遞矩陣的飛輪擾動特性建模方法，建立的線性化動力學模型考慮了質量不平衡等擾動因素，發現了發現了當軸向慣量大於徑向慣量時，質量動不平衡不會激起飛輪正進動與反進動模態的結論；提出考慮軸承非線性振動特性的動量輪系統微振動擾動建模方法，建立了動量輪系統的非線性動力學模型，揭示了軸承非線性振動產生高頻擾動的規律。2. 建立了考慮轉子-軸承和框架-軸承耦合的CMG動力學模型，揭示了轉子高速旋轉對框架運動和擾動力的影響規律。建立了典型CMG系統的微振動耦合動力學模型，該模型可準確反映轉子軸承系統和框架軸承系統的耦合特性。分析表明CMG框架轉動導致擾動輸出力和力矩隨框架角的變化而變化，且在不同方向上的擾動存在差異；由於轉子-軸承系統和框架-軸承系統存在運動耦合，增大轉子轉速將增大框架的視轉動慣量。 3. 建立了CMG群組和隔振平台的系統耦合動力學模型，該模型可準確描述系統質量和慣量變化、陀螺效應以及框架轉動效應。 針對CMG群組設計了採用隔振桿單元的全向隔振平台，基於Lagrange方程建立了CMG群組與隔振平台系統的耦合動力學模型。該模型反映了CMG群組的框架轉動效應、質量和慣量分布特性、陀螺效應等。分析發現CMG陀螺效應的相互作用是引起擾動的主要原因，框架轉動時系統慣量特性變化也會影響擾動力。 4. 開展了飛輪和CMG微振動擾動特性實驗研究，驗證了動力學模型的正確性。 以飛輪和單個CMG為對象，通過試驗獲取了典型飛輪和CMG的微振動擾動力和擾動力矩，並將實驗結果與理論模型進行對比，驗證了動力學模型的正確性。