發(fā)布時間：2020-11-05 21:29

　　 控制力矩陀螺是通過陀螺原理實現(xiàn)動量交換從而完成航天飛行器姿態(tài)控制的設備,廣泛用于各種人造衛(wèi)星、空間站等航天飛行器�？刂屏赝勇葜饕僧a(chǎn)生角動量的高速組件、實現(xiàn)動量交換的低速組件及相關控制電路組成�，F(xiàn)有控制力矩陀螺的低速組件一般由電磁電機和減速齒輪構成。該系統(tǒng)整體具有結構復雜、體積大、抗電磁干擾能力弱、機械響應慢、不易實現(xiàn)高精度控制等缺點。超聲電機具有轉(zhuǎn)速低、扭矩更大、斷電自鎖、抗電磁干擾能力強、瞬態(tài)響應更快、定位精度高等優(yōu)點。為實現(xiàn)微型衛(wèi)星的姿態(tài)控制以完成對目標區(qū)域的快速、精確地掃描和觀測,本文以單框架力矩陀螺在微型衛(wèi)星的姿態(tài)控制應用為背景,研究用于驅(qū)動控制力矩陀螺的超聲電機。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1、在介紹單框架力矩陀螺的工作原理的基礎上,分析了現(xiàn)有控制力矩陀螺的應用現(xiàn)狀,針對太空的極端工作環(huán)境分析了現(xiàn)有電磁電機驅(qū)動控制力矩陀螺可能遇到的不足,提出使用超聲電機驅(qū)動控制力矩陀螺可能為解決問題的途徑之一。2、設計了旋轉(zhuǎn)行波驅(qū)動的單框架力矩陀螺,根據(jù)控制力矩陀螺的機械結構的需求,設計了中空型的旋轉(zhuǎn)行波超聲電機,利用有限元法對該型超聲電機定子尺寸進行了優(yōu)化。加工制造了樣機,并進行了實驗驗證。3、針對航天高真空需求,提出了異型模態(tài)超聲電機。從動力學的角度分析了異型模態(tài)超聲電機的工作機理,對異型直線電機的解算方程及非線性接觸問題進行了研究分析。利用有限元軟件對超聲電機定子進行了模態(tài)分析、模態(tài)識別、網(wǎng)格節(jié)點軌跡計算和載荷響應計算。以定子結構尺寸為輸入,以超聲電機的工作頻率、模態(tài)混疊、振動振幅為設計目標進行了動力學優(yōu)化。并根據(jù)優(yōu)化結果制作了樣機。4、設計了異型直線超聲電機驅(qū)動控制力矩陀螺的三維模型。利用有限元法完成了對動量輪質(zhì)心偏置情況的模態(tài)分析和應力分布分析。對動量輪軸承強度進行了校核。最終根據(jù)優(yōu)化和校核結果加工制作了樣機。5、根據(jù)系統(tǒng)要求對所設計的樣機進行了相關實驗驗證和部分參數(shù)優(yōu)化。實驗結果表明:經(jīng)過優(yōu)化后異型超聲電機的負載性能和速度性能大幅提升。超聲電機與控制力矩陀螺的耦合實驗表明:動量輪轉(zhuǎn)速在低轉(zhuǎn)速時對框架的旋轉(zhuǎn)速度影響很大;當動量輪轉(zhuǎn)速升高后,動量輪的轉(zhuǎn)速對框架的旋轉(zhuǎn)速度影響較小。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V448.22
【部分圖文】：

并在 1966 年將其搭載在對日觀測的天文臺上，完成其對日觀測時的姿態(tài)控制。圖1.1 為美國在 70 年代成功研制基于軸承支撐的雙框架控制力矩陀螺，并將該控制力矩陀螺成功應用在空間實驗室[16-22]。其單個控制力矩陀螺力矩輸出容量達 2700 N·m。美國為國際空間站姿態(tài)控制系統(tǒng)研制的力矩陀螺如圖 1.2 所示，該控制力矩陀螺屬基于軸承支撐的雙框架控制陀螺力矩陀螺，控制力矩陀螺產(chǎn)生的總力矩容量達 19000 N·m。圖 1.1 雙框架控制力矩陀螺 圖 1.2 ISS 使用的雙框架控制力矩陀螺

潤滑支持設備及潤滑脂，降低了設備失效風險，提高了系統(tǒng)可靠度�；诔曤姍C驅(qū)動力矩陀螺可以提高SGCMG系統(tǒng)的集成度，精簡整個系統(tǒng)設備，提高響應速度和控制精度[.2 國內(nèi)外 SGCMG 的發(fā)展及研究現(xiàn)狀單框架控制力矩陀螺是一種動量交換設備。通過改變高速轉(zhuǎn)子角動量的同時，產(chǎn)生對基座的力矩，基座安裝在航天飛行器上，從而實現(xiàn)對航天飛行器姿態(tài)的改變和控制。由用壽命長、工作精度高，世界各大航天強國都在此領域投入了研究。美國和前蘇聯(lián)由于經(jīng)濟實力強大，對控制力矩陀螺的研究比較早[14-22]。從上世紀 50 年，美國便開始了對控制力矩陀螺的研制工作[14-16]。美國開展了一系列機械軸承支撐的雙制力矩陀螺的實驗及探索，并于 60 年代先于世界各國成功研制出使用軸承支撐的雙框架矩陀螺，并在 1966 年將其搭載在對日觀測的天文臺上，完成其對日觀測時的姿態(tài)控制1 為美國在 70 年代成功研制基于軸承支撐的雙框架控制力矩陀螺，并將該控制力矩陀螺用在空間實驗室[16-22]。其單個控制力矩陀螺力矩輸出容量達 2700 N·m。美國為國際空間站姿態(tài)控制系統(tǒng)研制的力矩陀螺如圖 1.2 所示，該控制力矩陀螺屬基支撐的雙框架控制陀螺力矩陀螺，控制力矩陀螺產(chǎn)生的總力矩容量達 19000 N·m。

南京航空航天大學碩士學位論文陀螺具有力矩放大作用，且整體結構剛度優(yōu)于多框架架控制力矩陀螺的研究�；谳S承支撐的控制力矩陀整體可靠性。因此和美國研究方向不同的是，前蘇聯(lián)60 年代蘇聯(lián)科學家就開始將控制力矩陀螺安裝在氣象閃電號”衛(wèi)星等。并于 70 年代完成將其研制的磁懸浮站，80 年代中期又將其設計的控制力矩陀螺陀螺安裝示為“和平號”國際空間站所使用的磁力懸浮單框架
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本文編號：2872213