伴隨著航天技術(shù)的發(fā)展和人類對(duì)空間探索需求的日益增加,敏捷機(jī)動(dòng)衛(wèi)星和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星受到廣泛關(guān)注和研究,其在資源勘探、遠(yuǎn)程通信等方面發(fā)揮著重要作用。而其中衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力則很大程度決定了執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)的效率和精度。在常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中,控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope,簡(jiǎn)稱CMG）作為一種角動(dòng)量交換裝置,因其在飛輪基礎(chǔ)上通過轉(zhuǎn)動(dòng)框架改變角動(dòng)量方向輸出控制力矩的工作原理,具有僅依靠電能工作、輸出力矩連續(xù)、控制精度較高等優(yōu)點(diǎn),逐漸在衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機(jī)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用,但CMG存在其原理上特有的幾何奇異問題,當(dāng)所有輸出力矩共面或共線時(shí),在與之正交的方向上則無法輸出力矩。另外,由于框架這一機(jī)械結(jié)構(gòu)和配套電氣結(jié)構(gòu)的增加,出現(xiàn)故障的概率增加。尤其是當(dāng)CMG完全故障后只剩三個(gè)可以工作時(shí),非冗余CMG無法提供額外的自由度回避奇異,如果人為添加力矩致使誤差過大,會(huì)大大降低控制精度,因此有必要針對(duì)故障后的非冗余CMG作分析和操縱策略設(shè)計(jì)。本論文源于某研究所的CMG操縱方法研究項(xiàng)目,針對(duì)非冗余CMG研究以下幾方面內(nèi)容:首先對(duì)本論文的相關(guān)研究現(xiàn)狀做了系統(tǒng)的調(diào)研,包括CMG產(chǎn)品型號(hào)、... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：79 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

各類CMG示意圖

在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜可靠性不高的問題，因此現(xiàn)今的研究仍然主要圍繞轉(zhuǎn)速恒定的CMG進(jìn)行。1.2.1.2控制力矩陀螺構(gòu)型在工程上CMG以對(duì)稱安裝居多，因?yàn)榉菍?duì)稱形式在某個(gè)CMG失效時(shí)力矩輸出特性會(huì)發(fā)生突變。其中對(duì)稱安裝又分為成對(duì)安裝和非成對(duì)安裝兩種。成對(duì)安裝通過在同一方向上軸對(duì)稱安裝兩個(gè)完全相同的CMG，可以顯著降低奇異面的復(fù)雜度，其中最常見的包括雙平行、三平行構(gòu)型等。非成對(duì)安裝則與之相反，每軸上僅安裝單個(gè)CMG但所有CMG整體成對(duì)稱構(gòu)型，以保證任意CMG失效后的構(gòu)型不受過多影響，其中常見有金字塔和五棱錐構(gòu)型等。圖1-2常見CMG構(gòu)型工程中在選取構(gòu)型時(shí)往往會(huì)遵循以下幾點(diǎn)原則：首先角動(dòng)量和輸出力矩要滿足任務(wù)要求，盡量保證各方向輸出能力相等，角動(dòng)量包絡(luò)接近于球形；另外還要考慮奇異點(diǎn)分布是否便于設(shè)計(jì)奇異規(guī)避操縱律，操縱律盡量簡(jiǎn)單易行；構(gòu)型應(yīng)具有一定的冗余度和可靠性，以及成本、體積、質(zhì)量、能耗等因素。在CMG選型方面，文獻(xiàn)[3]通過構(gòu)型效益、奇異面復(fù)雜度等指標(biāo)的對(duì)比計(jì)算，得出五棱錐構(gòu)型顯奇異點(diǎn)靠近角動(dòng)量包絡(luò)，構(gòu)型較優(yōu)的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]對(duì)金字塔和五棱錐構(gòu)型正常及各種失效情況下的各種指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并與動(dòng)量輪做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)金字塔CMG與四斜裝動(dòng)量輪的混合構(gòu)型具有最佳的可重構(gòu)性。1.2.1.3控制力矩陀螺技術(shù)及產(chǎn)品型號(hào)CMG根據(jù)其轉(zhuǎn)子支撐方式的不同可分為機(jī)械控制力矩陀螺和磁懸浮控制力矩陀螺（MSCMG）。其中機(jī)械控制力矩陀螺通常使用滾珠軸承或陶瓷球軸承作為框架軸承，軸承磨損、油膜潤(rùn)滑等問題一直是影響CMG壽命和可靠性的重要因素。而與之相比，MSCMG通過磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用能夠無接觸地支撐高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，因此具有振動(dòng)孝可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)械方面的優(yōu)化卻也帶來了因增加電氣組件后的可靠性問題，另外由于磁懸浮?

m旗下）生產(chǎn)的兩種主要型號(hào)CMG（4-6S和15-45S），可為中小型衛(wèi)星提供3°/s的快速機(jī)動(dòng)能力，其中15-45S型CMG已在Pleiades和SPOT系列衛(wèi)星上在軌應(yīng)用。另外，也有科研單位為在小型航天器上應(yīng)用CMG實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制開發(fā)微小型CMG，如HoneybeeRobotics開發(fā)的CMG標(biāo)稱角動(dòng)量為56mNms輸出力矩為112mNm，重量?jī)H為600g。部分市面上已有CMG產(chǎn)品及相關(guān)參數(shù)如表1-1所示。國(guó)內(nèi)CMG于上世紀(jì)90年代才開展CMG產(chǎn)品的研制工作，但近年來已形成角動(dòng)量從5Nms到1000Nms各規(guī)格的系列產(chǎn)品，其中200NmsCMG應(yīng)用于天宮一號(hào)成為中國(guó)的首次CMG在軌應(yīng)用。圖1-3M50型CMG規(guī)格參數(shù)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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本文編號(hào)：3031591