增加飛輪變速自由度的變速控制力矩陀螺(VSCMG)無需增加額外硬件成本,除了能夠有效規(guī)避單框架控制力矩陀螺(SGCMG)簇奇異、滿足姿態(tài)控制(AC)任務要求外,變速飛輪還具有能量存儲與釋放功能,能同時滿足一體化功率/姿態(tài)控制(IPAC)任務的要求。因此,VSCMG的研究與應用對于航天器角動量體姿態(tài)控制技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。VSCMG目前還處在實驗室驗證階段,技術(shù)還不是很成熟,其中飛輪驅(qū)動功率過大是制約VSCMG實際應用的主要難題,本文重點研究了飛輪力矩需求最小的VSCMG簇操縱律設計以降低飛輪功率,在此基礎上分別給出了可滿足AC任務與IPAC任務要求的VSCMG簇參數(shù)優(yōu)化設計方法。首先,對于存在飛輪調(diào)速上限與下限約束的VSCMG簇,在VSCMG簇角動量包絡特性分析基礎上,分別對VSCMG簇執(zhí)行AC任務與IPAC任務存在的奇異及其可逃避性進行了分析,并通過分析奇異對VSCMG簇設計參數(shù)的約束關(guān)系,給出了VSCMG簇在上述任務下角動量交換特性及約束特性,為VSCMG簇參數(shù)優(yōu)化設計問題提供了角動量尺寸與設計參數(shù)的關(guān)系。其次,根據(jù)SGCMG簇奇異特性分析結(jié)果,在典型工況下對典型操縱律進行了分析,分別揭示了加權(quán)偽逆操縱律、添加零運動加權(quán)偽逆操縱律以及具有飛輪轉(zhuǎn)速平衡能力操縱律的操縱特性,并獲得了各操縱律的飛輪需用力矩特性,該分析結(jié)果可為飛輪力矩需求最小的操縱律設計奠定基礎。再次,對于執(zhí)行AC任務的VSCMG簇,在重新設計期望飛輪平衡轉(zhuǎn)速條件下,通過重新設計加權(quán)矩陣,提出了一種分時輪速均衡方法,給出了飛輪力矩需求最小的操縱律,實現(xiàn)了規(guī)避奇異和各飛輪轉(zhuǎn)速趨于平均轉(zhuǎn)速的目標;通過分析此操縱律,在不遭遇奇異條件下給出了飛輪力矩與陀螺力矩約束條件,最終以VSCMG簇可交換角動量空間最大和整機功率最小為目標,采用多目優(yōu)化方法,解決了AC任務下VSCMG簇參數(shù)設計問題。其后,對于執(zhí)行IPAC任務的VSCMG簇,以降低VSCMG簇的可交換角動量空間為代價,給出了飛輪功率需求最小的操縱律,實現(xiàn)了規(guī)避一體化功率/姿態(tài)控制系統(tǒng)(IPACS)奇異和各飛輪轉(zhuǎn)速趨于平均轉(zhuǎn)速的目標,達到了始終均勻分配各飛輪功率的目的;通過分析此操縱律,在不遭遇IPACS奇異條件下給出了飛輪力矩與陀螺力矩約束條件,最終以VSCMG簇可交換角動量空間最大和框架功率最小為目標,采用多目優(yōu)化方法,解決了IPAC任務下VSCMG簇參數(shù)設計問題。最后,通過對所設計的VSCMG簇考慮儲能與不考慮儲能下系統(tǒng)性能對比分析,獲得如下結(jié)論:對于AC任務下的VSCMG簇,只需要付出可交換角動量空間降低的代價,就能夠在保證輸出力矩不變條件下,實現(xiàn)一定的能量存儲,但最多只容許一單元失效,會降低系統(tǒng)的性能;對于IPAC任務下的VSCMG簇,當放棄儲能功能時,能夠確保輸出力矩不變,增大可交換角動量空間,最多容許兩個單元失效。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V448.2
【部分圖文】：

2 章 VSCMG 簇角動量交換特性及奇異約束遍歷所有 θ1與 θ2，達到在三維空GCMG 簇角動量的集合，就是 S異面分類 在 i≠0 條件下，進行分類，不同類型的 SGCMG的符號完全相同時（即 i=1 或 外三個 i符號不一致時，定義為不一致時，定義為 0H 奇異面。對稱特性，可得 4H 奇異面有且的 0H 奇異面一共有三個。4H 奇圖所示。

2-6 VSCMG簇的最大角動量包絡 圖 2-7 零運動不存在的最大角動量. 2-6 The maximum angular momentumenvelope of VSCMG clusterFig. 2-7 The maximum angular momeenvelope of VSCMG cluster for null mwith non-existent根據(jù)以上分析，對于存在飛輪調(diào)速上限與下限約束的 AC 任務下 V圖 2-6 的最大角動量包絡內(nèi)部零運動始終存在，則 AC 任務下 VSCM

2-6 VSCMG簇的最大角動量包絡 圖 2-7 零運動不存在的最大角動量. 2-6 The maximum angular momentumenvelope of VSCMG clusterFig. 2-7 The maximum angular momeenvelope of VSCMG cluster for null mwith non-existent根據(jù)以上分析，對于存在飛輪調(diào)速上限與下限約束的 AC 任務下 V圖 2-6 的最大角動量包絡內(nèi)部零運動始終存在，則 AC 任務下 VSCM
【參考文獻】

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本文編號：2850739