[发明专利]一种小型变速控制力矩陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型变速控制力矩陀螺，属于空间执行机构领域。

背景技术

航天器姿态控制系统中常用的惯性执行部件有飞轮和控制力矩陀螺。飞轮是一种转子转速可变的姿态控制执行机构，输出分辨率高但力矩量值较小，常用于航天器姿态的高精度稳定控制；控制力矩陀螺是转子转速恒定通过框架转动改变转子角动量方向来输出力矩的姿态控制执行机构，输出分辨率较低但力矩量值较大，并存在控制律奇异问题。变速控制力矩陀螺即转子转速可变的单框架控制力矩陀螺，变速控制力矩陀螺集合了控制力矩陀螺大的力矩输出和飞轮高的力矩输出精度的优点，因此，采用变速控制力矩陀螺可以较好的解决卫星快速、大角度机动与稳态附近的高姿态稳定度之间的矛盾。在快速机动时，主要由框架角变化提供很大的控制力矩，此时为控制力矩陀螺工作模式；在稳态附近通过转子转速变化提供高精度控制力矩，框架角不再发生变化，此时为飞轮工作模式。采用变速控制力矩陀螺除了上述优点外，可以进一步保证陀螺群在奇异状态下更好的可控性并减小框架构型接近奇异时输出力矩与期望力矩的误差以及以用变速控制力矩陀螺转子的高速旋转及变速特性还能同时完成能量的存储释放。

由于飞轮和控制力矩陀螺不同的应用特点,在航天器实际应用中也采取了不同的配置方式，高稳定度平台常采用飞轮产品，快速机动平台采用控制力矩陀螺产品，既要快速机动又要高稳定度的平台同时采用飞轮和控制力矩陀螺产品。俄罗斯多颗遥感大平台卫星采用了飞轮和控制力矩陀螺产品混合配置的姿态控制系统，但对于敏捷小卫星来说，重量、功耗、体积的限制无法采用该混合配置方式，此时变速控制力矩陀螺系统是其姿态控制系统的最佳配置。

变速控制力矩陀螺并非简单的将常规控制力矩陀螺实现转子转速可变速即可。由于控制力矩陀螺转子转速恒定，可通过精密动平衡实现工作转速的高精度的不平衡量校正，即便通过框架轴放大后力矩噪声也在可接受范围内。当转子具有转速可变功能时，即便进行多个转速点恒速时的不平衡量校正，其力矩噪声在宽转速范围(如0～6000r/min)内也较大；若此时再通过框架轴放大后力矩噪声将更大，对航天器姿态控制精度和稳定度带来不利影响。因此，变速控制力矩陀螺相对于常规控制力矩陀螺要实现更高精度的框架锁定。目前文献《CONTROL MOMENT GYRO FOR ATTITUDE CONTROL OF A SPACECRAFT》(Pub.No.:US2005/0109135A1)和《一种悬臂式控制力矩陀螺》(ZL201020154382.0)公开的单框架控制力矩陀螺是典型的小型控制力矩陀螺，其框架锁定采用非接触式电磁电机，框架角锁定精度一般在40左右。文献《一种机电一体化变速控制力矩陀螺》(CN102901492)也没有描述如何实现高精度的框架锁定这一关键技术。

由于变速控制力矩陀螺(或控制力矩陀螺)系统较飞轮复杂，体积、重量和功耗等都大于飞轮，应用于敏捷小卫星时产品的轻小型化也是研制追求的目标。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型变速控制力矩陀螺，具有较高的框架锁定精度，产品体积小、重量轻、散热好，可用于敏捷小卫星的高精度姿态控制和快速机动。

本发明的技术解决方案是：一种小型变速控制力矩陀螺，包括高速组件、连接支架和低速组件，高速组件和低速组件通过连接支架连接；

高速组件包括壳体组件、高速电机组件、轮体以及高速轴承组件；高速电机组件包括高速电机转子部分和高速电机定子部分，高速电机定子部分安装在壳体组件上；高速电机转子部分与轮体共同构成高速转子组件；高速转子组件由高速轴承组件支承，用于提供角动量所需的转动惯量；高速轴承组件安装在壳体组件上；