[發明專利]基于動量輪與反射率控制裝置的航天器姿態控制系統

有效

• 申請號: 202011605442.0
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112572838B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 季浩然;李東旭;劉望;張斌斌;吳軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24;B64G1/28
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 趙朕毅

本發明公開一種基于動量輪與反射率控制裝置的航天器姿態控制系統，屬于航天器姿態控制技術領域。所述航天器姿態控制系統包括作動子系統、卸載子系統、姿態確定子系統、驅動控制子系統；所述姿態控制系統采用動量輪作為航天器姿態控制的作動機構，并采用可自主調整反射率的發射率控制裝置生成卸載力矩，擇機對趨于飽和的動量輪實施卸載。依據所述系統方案組件的航天器姿態控制系統，既能夠保證姿態控制能力，又能夠擺脫對地磁力矩卸載和推力器卸載等傳統卸載方法的依賴，使航天器在中高軌以遠的太空環境中具備超長期服役條件。

技術領域

本發明屬于航天器姿態控制技術領域，具體涉及一種基于動量輪與反射率控制裝置的航天器姿態控制系統。

背景技術

航天器姿態控制系統是航天器的重要組成部分，對航天器順利執行各類任務至關重要。動量輪是一類機械式的角動量交換裝置，能夠以較高的精度生成姿態控制力矩，因而在航天器姿態控制系統中被廣泛用作作動器。然而，受限于轉速的物理極限，當動量輪轉速超過某一閾值時，將不再具備完整的控制能力，為姿態控制系統帶來隱患。因此，在動量輪即將達到飽和時，須對其角動量進行卸載。常見的卸載方式有地磁力矩卸載、推力器力矩卸載等。

然而，地磁力矩卸載需要較高的地球磁場強度，因而只適用于中低軌道衛星。推力器力矩卸載需要消耗工質，當工質耗盡時無法繼續提供卸載力矩。隨著未來航天器任務邊界的提升和任務時間的增長，傳統的卸載方法將無法滿足動量輪卸載需求，成為航天事業發展的瓶頸之一。

利用太陽光，是解決上述瓶頸的有效思路之一。太陽光廣泛分布于太陽系中，其光子具有動量，通過對太陽光的反射能夠獲得太陽光壓力。反射面所受太陽光壓力的大小與反射面的光學特性相關。在航天器受曬面布局一組可以自主調整光學特性的反射率控制裝置，即可產生受控的等效太陽光壓合力矩。這樣的太陽光壓力矩本身極為微小，如作為姿態控制作動器，則僅能適用于對姿態控制能力要求較低的航天器上，如日本所研發的IKAROS航天器。雖然太陽光壓力矩量級微小，但不受距離和燃料的約束，通過一段時間的累積能夠生成可觀的總角動量，特別適用于動量輪的卸載。

發明內容

本發明的主要目的是一種基于動量輪與反射率控制裝置的航天器姿態控制系統，旨在克服現有的同類系統方案控制能力不足或強烈依賴地磁力矩、推力器力矩的局限性，以拓展航天器的活動空間和任務模式。

為實現上述目的，本發明提出一種基于動量輪與反射率控制裝置的航天器姿態控制系統，包括：

作動子系統，安裝于航天器本體艙內部，用于實現航天器的姿態機動和姿態穩定控制；

卸載子系統，粘貼于航天器艙外附件表面，能夠產生可控的太陽光壓力矩，供動量輪組卸載；

姿態確定子系統，包含各類為航天器姿態確定提供信息的傳感器；

驅動控制子系統，包含供電、驅動與控制裝置，與作動子系統、卸載子系統、姿態確定子系統相連接，能夠生成控制指令，為姿態控制系統提供電源和驅動信號；

所述作動子系統由若干動量輪組成，基于角動量守恒原理，通過與航天器交換角動量實現對航天器姿態的控制；

所述卸載子系統由若干薄膜式的反射率控制裝置組成，所述反射率控制裝置在通電和斷電時具有不同的光學特性，多個反射率控制裝置能夠各自獨立調整通斷點狀態，相互配合，能夠在受太陽光照射時產生多種方向和大小的卸載力矩。

優選地，姿態確定子系統由姿態傳感器組成，包括星敏感器、太陽敏感器、陀螺儀，為航天器提供實時姿態信息。

優選地，驅動子系統包括電源控制器、驅動電路、星載計算機和連接線纜；所述星載計算機通過連接線纜與電源控制器和驅動電路相連接，電源控制器和驅動電路通過連接線纜與作動子系統、卸載子系統、姿態確定子系統相連接。

優選地，航天器艙外附件表面上所布局的反射率控制裝置均呈中心對稱分布。