[發明專利]基于霍爾電推進自生扭矩的航天器角動量控制方法和系統

在審

• 申請號: 202011367518.0
• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112407339A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 張旭;魏鑫;郝燕艷;王海強;劉丹;仲小清
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: B64G1/40
• 分類號: B64G1/40;F03H1/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張歡

一種基于霍爾推力器自生扭矩的航天器角動量控制方法，包括步驟如下：(1)根據航天器上霍爾推進系統推力器的配置和布局位置，獲得各臺推力器的推力指向角度；(2)確定每臺推力器工作時產生的扭矩大小；(3)根據勵磁電流方向與扭矩方向的關系，確定推力器的勵磁電流的正負方向；(4)根據每臺推力器的扭矩矢量方向，建立每臺推力器勵磁電流方向對航天器三軸產生扭矩分量的對應關系式；(5)獲得航天器的三軸角動量控制需求，確定目標方向的扭矩；(6)根據霍爾電推進系統的在軌工作的任務策略，通過調用使推力器工作時產生目標扭矩方向的勵磁電流方向，對推力器在衛星三軸上產生的扭矩進行疊加或者抵消控制，產生目標方向的扭矩。

技術領域

本發明涉及一種航天器角動量控制方法，屬于航天器推進領域。

背景技術

霍爾推力器作為霍爾電推進系統的核心單機，其工作推力特性決定了系統的推力輸出特性，同時也影響系統在航天器上的應用策略。根據推進系統的工作原理，霍爾推力器工作時電離產生的離子在加速區空間正交電磁場的作用下，形成速度高達約20000m/s的等離子體射流，離子束流電流根據推力器的放電功率不同，通常會達到1～10A量級。該離子束電流與推力器徑向磁場(量級約為0.02～0.04T)相互作用，會產生方向的洛倫茲力，使得離子運動軌跡發生偏轉，而推力器也會受到方向的反作用力。因此，大量離子束流的共同作用下，推力器會受到一個沿其軸線方向的扭矩，如圖1中所示。

以1kW功率級霍爾推力器為例，其工作時會在軸線方向上產生大小約為1×10^-4N·m量級的扭矩，24小時連續工作可產生角動量累積達8.64Nms。因此，霍爾推進系統長時間工作會由于自生扭矩對航天器角動量產生顯著累積，對姿態控制產生不利影響，導致航天器角動量累積加快，增大姿軌控系統的負擔，額外消耗更多的動量卸載用推進劑。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：為對采用霍爾電推進的航天器進行角動量管理，充分利用霍爾電推進系統的工作特性，優化系統的工作策略，本發明基于霍爾電推進系統的推力器自生扭矩現象，提出一種基于霍爾電推進自生扭矩的航天器角動量控制方法和系統，通過控制推進系統產生目標方向的扭矩，實現對航天器角動量的卸載、管理等功能。

本發明所采用的技術方案是：一種基于霍爾推力器自生扭矩的航天器角動量控制方法，包括步驟如下：

(1)根據航天器上霍爾推進系統推力器的配置和布局位置，獲得各臺推力器的推力指向角度γ、θ、在衛星星本體坐標系下，γ、θ、分別為推力矢量與航天器的X、Y和Z軸的夾角；

(2)確定每臺推力器工作時產生的扭矩大小；

(3)根據勵磁電流方向與扭矩方向的關系，確定推力器的勵磁電流的正負方向；推力器扭矩的方向與推力的方向平行，定義扭矩方向與推力方向同向為正，反向為負。

(4)根據每臺推力器的扭矩矢量方向，建立每臺推力器勵磁電流方向對航天器三軸產生扭矩分量的對應關系式；

(5)獲得航天器的三軸角動量控制需求，確定目標方向的扭矩；由航天器姿軌控計算機計算得到角動量的控制需求；

(6)根據霍爾電推進系統的在軌工作的任務策略，通過調用使推力器工作時產生目標扭矩方向的勵磁電流方向，對推力器在衛星三軸上產生的扭矩進行疊加或者抵消控制，進而產生目標方向的扭矩，實現航天器角動量的控制。

一種基于霍爾推力器自生扭矩的航天器角動量控制系統，包括：

第一模塊，根據航天器上霍爾推進系統推力器的配置和布局位置，獲得各臺推力器的推力指向角度γ、θ、并確定每臺推力器工作時產生的扭矩大小；

第二模塊，根據勵磁電流方向與扭矩方向的關系，確定推力器的勵磁電流的正負方向；根據每臺推力器的扭矩矢量方向，建立每臺推力器勵磁電流方向對航天器三軸產生扭矩分量的對應關系式；獲得航天器的三軸角動量控制需求，確定目標方向的扭矩；