航天器控制-(四) 航天器姿态执行器与控制器 马广富 哈尔滨工业大学 2 航天器控制 2015/12/10 航天器控制航天器控制 姿态控制系统姿态控制系统 姿态确定姿态确定 姿态敏感器姿态敏感器 姿态确定算 法 姿态确定算 法 姿态控制姿态控制 姿态稳定姿态稳定 稳定方式稳定方式 执行机构执行机构 控制计算机控制计算机姿态机动姿态机动 轨道控制系统轨道控制系统 轨道确定轨道确定 自主导航自主导航 非自主导航非自主导航 轨道控制轨道控制 轨道保持轨道保持 轨道调整轨道调整 3 主要内容 2015/12/10 航天器姿态执行机构航天器姿态执行机构 航天器姿态控制器-星载计算机航天器姿态控制器-星载计算机 姿态控制系统的任务与分类姿态控制系统的任务与分类 4 1 航天器姿态执行机构 2015/12/10 思考：对航天器产生力矩的方法？ 喷射气体或离子 的反作用力矩 （推力器） 角动量交换 （反作用飞轮， 控制力矩陀螺） 地球磁场作用 （磁力矩器） 太阳辐射压力 重力梯度 （太阳帆， 重力梯度杆） 5 1.1 推力器 推力器 目前航天器控制使用最广泛的执行机构之一。它目前航天器控制使用最广泛的执行机构之一。它根据牛顿第 二定律，利用质量排出，产生反作用推力 根据牛顿第 二定律，利用质量排出，产生反作用推力，这也正是这种装 置被称为推力器或喷气执行机构的原因。 ，这也正是这种装 置被称为推力器或喷气执行机构的原因。 当推力器推力方向当推力器推力方向过航天器质心过航天器质心，可为航天器提供控制推力；，可为航天器提供控制推力； 当推力器推力方向当推力器推力方向不过航天器质心不过航天器质心，将同时产生控制推力和 相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。 ，将同时产生控制推力和 相对航天器质心的力矩，成为姿态控制执行机构。 2015/12/10 6 1.1 推力器 基本概念 力矩力矩：力：力F使物体绕使物体绕O点转动， 不仅与力的大小有关，而且 与 点转动， 不仅与力的大小有关，而且 与O点到力的作用线的垂直距 离 点到力的作用线的垂直距 离d有关，力矩定义为有关，力矩定义为 力偶力偶：作用在同一平面上大 小相等、方向相反、作用线 相互平行的两力构成一对力 偶。 ：作用在同一平面上大 小相等、方向相反、作用线 相互平行的两力构成一对力 偶。 推力器在用于姿态控制时， 一般都是力偶形式。 推力器在用于姿态控制时， 一般都是力偶形式。 2015/12/10 MdF 7 1.1 推力器 推力器作为姿态控制执行机构的特点： 可以在轨道上可以在轨道上任何位置工作任何位置工作，不受外界其它因素的影响。，不受外界其它因素的影响。 沿航天器本体轴产生的沿航天器本体轴产生的控制力矩远大于耦合力矩控制力矩远大于耦合力矩，可以实现 三轴解耦姿态稳定控制，使控制逻辑简单灵活。 ，可以实现 三轴解耦姿态稳定控制，使控制逻辑简单灵活。 产生的力矩大，过渡过程时间短。相比之下外部干扰力矩和 内部干扰力矩比喷气小得多，因此在 产生的力矩大，过渡过程时间短。相比之下外部干扰力矩和 内部干扰力矩比喷气小得多，因此在姿态控制系统初步设计 时，可以忽略干扰力矩的影响 姿态控制系统初步设计 时，可以忽略干扰力矩的影响。 所携带推进剂有限，所携带推进剂有限，适用于非周期性大干扰力矩的场合适用于非周期性大干扰力矩的场合和工 作 和工 作寿命较短的低轨道航天器寿命较短的低轨道航天器。 推力器控制系统一般采用固定推力发动机和开关控制方式，推力器控制系统一般采用固定推力发动机和开关控制方式， 推力不连续推力不连续，一般不能用于高精度控制。，一般不能用于高精度控制。 2015/12/10 8 1.1 推力器 推力器应用范围： 航天器刚入轨后的航天器刚入轨后的消除初始姿态偏差、速率阻尼、姿态捕获消除初始姿态偏差、速率阻尼、姿态捕获； 航天器正常轨道运行期间的航天器正常轨道运行期间的快速姿态机动快速姿态机动； 航天器航天器轨控发动机工作期间轨控发动机工作期间的姿态稳定；的姿态稳定； 大型航天器姿态控制、交会对接。大型航天器姿态控制、交会对接。 2015/12/10 9 1.1 推力器 推力器系统性能参数：（一）推力 由牛顿第二定律可以推导出推力器真空中的推力公式为：由牛顿第二定律可以推导出推力器真空中的推力公式为： 2015/12/10 动量推力 压力推力动量推力 压力推力 单位时间推进剂排出数量，即秒耗量 相对于航天器的排气速度 推力器喷嘴出口截面积 推力器喷嘴出口射流压力 e v Se pe 说明： 推力器产生的推力不仅与喷出的射流有关，还与外界大气压有关。 这两部分中，主要是动量推力，占全部推力的90%以上。增大推力的主要 途径是增加喷射物质的秒耗量和提高排气速度。 10 1.1 推力器 推力器系统性能参数：（二）比冲、比推力 比冲比冲：对一个推进系统的效率的描述，单位质量的推进 剂所能带来的冲量（推力时间），计算公式为： ：对一个推进系统的效率的描述，单位质量的推进 剂所能带来的冲量（推力时间），计算公式为： 如总比冲一定，如总比冲一定，比冲越高，则所需的推进剂越少比冲越高，则所需的推进剂越少，相应 发动机的尺寸和重量都可以降低； ，相应 发动机的尺寸和重量都可以降低； 如推进剂一定，如推进剂一定，比冲越高，则总冲就越大比冲越高，则总冲就越大，相应推力器 的控制能力也增加。 ，相应推力器 的控制能力也增加。 2015/12/10 总比冲总比冲(N s) s p I I m 推进剂总质量（推进剂总质量（kg） 比冲单位？比冲单位？ 比冲比冲(m/s) 11 1.1 推力器 推力器系统性能参数：（二）比冲、比推力 比推力比推力：单位时间推进剂消耗量（秒耗量）所产生的推力， 定义为比推力，即 ：单位时间推进剂消耗量（秒耗量）所产生的推力， 定义为比推力，即 比推力越大，产生一定推力所需的推进剂重量秒耗量就 越少；或者说，当推进剂流量一定时，比推力越大，所 产生的推力就越大。 比推力越大，产生一定推力所需的推进剂重量秒耗量就 越少；或者说，当推进剂流量一定时，比推力越大，所 产生的推力就越大。 比推力完全取决于有效排气速度比推力完全取决于有效排气速度vef。 上式分子和分母都同乘以发动机的工作时间上式分子和分母都同乘以发动机的工作时间t，则得到比 冲的公式，因此 ，则得到比 冲的公式，因此尽管比冲和比推力在定义和物理意义上 有区别，但它们的数值和量纲是相同的。 尽管比冲和比推力在定义和物理意义上 有区别，但它们的数值和量纲是相同的。 2015/12/10 0 0 ef s g v F I gm 推力推力(N) 秒耗量（秒耗量（kg/s） 比推力比推力(m/s) 12 1.1 推力器 推进系统分类 一、冷气推进系统 利用储存在室温的利用储存在室温的高压惰性气体高压惰性气体作为推进剂。作为推进剂。 成本低、系统简单、可靠，但性能低，冲量小。成本低、系统简单、可靠，但性能低，冲量小。 一般用于一般用于早期卫星或航天器早期卫星或航天器，或者对总冲要求较低的小卫星。，或者对总冲要求较低的小卫星。 2015/12/10 前苏联“东方一号”（1961）美国“空间实验室”（1973） 13 1.1 推力器 二、固体推进系统 将将燃料和氧化剂聚合燃料和氧化剂聚合在一起，利用固态推进剂产生推力 ；在一起，利用固态推进剂产生推力 ； 与液体推进系统相比，结构简单，比冲低，精度低；与液体推进系统相比，结构简单，比冲低，精度低； 主要用于主要用于轨道注入和返回舱再入制动轨道注入和返回舱再入制动，或星际航行探测器或 地球行星过渡轨道动力装置； ，或星际航行探测器或 地球行星过渡轨道动力装置； 2015/12/10 美国 HS-376卫星平台 中国 风云二号卫星 14 1.1 推力器 三、液体推进系统 1、单组元推进系统、单组元推进系统 采用无水肼作为推进剂产生推力，工作时推进剂组元采用无水肼作为推进剂产生推力，工作时推进剂组元自身分 解 自身分 解后再燃烧产生高温气体；后再燃烧产生高温气体； 航天器航天器姿态控制和轨道控制最广泛使用的推进系统姿态控制和轨道控制最广泛使用的推进系统； 是一种非常理想的推进系统，在可靠性、寿命、使用历史、 比冲、安全性、费用等综合指标上，都比其它推进系统优越。 是一种非常理想的推进系统，在可靠性、寿命、使用历史、 比冲、安全性、费用等综合指标上，都比其它推进系统优越。 主要缺点是比冲较低主要缺点是比冲较低，一般适合用于中小型卫星。，一般适合用于中小型卫星。 2015/12/10 中国资源二号卫星中国资源二号卫星推进系统 15 1.1 推力器 三、液体推进系统 2、双组元推进系统、双组元推进系统 双组元发动机的推进剂包括双组元发动机的推进剂包括氧化剂和燃烧剂氧化剂和燃烧剂（一般为四氧化 二氮和甲基肼），工作时由专门的输送系统分别送入燃烧室； （一般为四氧化 二氮和甲基肼），工作时由专门的输送系统分别送入燃烧室； 比冲高比冲高，在大型卫星、飞船和航天飞机等航天器中应用；，在大型卫星、飞船和航天飞机等航天器中应用； 能独立完成轨道注入、轨道保持、姿态控制和再入机动，功 能全面。 能独立完成轨道注入、轨道保持、姿态控制和再入机动，功 能全面。 2015/12/10 中国东方红三号中国神舟系列飞船 16 1.1 推力器 三、液体推进系统 3、双模式推进系统、双模式推进系统 将将单组元单组元高可靠、低推力和高可靠、低推力和双组元双组元高比冲优点高比冲优点有机结合有机结合，构 成的复合的先进控制系统； ，构 成的复合的先进控制系统； 采用采用双组元双组元推进剂用于大力矩需求情况，采用推进剂用于大力矩需求情况，采用单组元单组元推进剂 用于姿态稳定等小力矩需求情况； 推进剂 用于姿态稳定等小力矩需求情况； 同样能独立完成轨道注入、轨道保持、姿态控制和再入机动， 是 同样能独立完成轨道注入、轨道保持、姿态控制和再入机动， 是一种性能高、功能全的推进系统一种性能高、功能全的推进系统。 2015/12/10 美国Intelsat通信卫星美国GE-1通信卫星 17 1.1 推力器 四、电推进系统 利用利用电能加热电能加热或或电离推进剂加速喷射电离推进剂加速喷射而产生推力的一类航天 器推进系统，有时又把包括电推力器和推进剂储存与管理子 系统的部分称为 而产生推力的一类航天 器推进系统，有时又把包括电推力器和推进剂储存与管理子 系统的部分称为电火箭发动机电火箭发动机； 电推进系统优点： （1）比冲高比冲高。 相比于化学推进系统，克服化学反应的能量限制，提高质量 排出速度，从而提高比冲。 相比于化学推进系统，克服化学反应的能量限制，提高质量 排出速度，从而提高比冲。 最高比冲：化学推进：最高比冲：化学推进：5000m/s; 电推进：电推进：50000m/s。 可大大减少航天器推进剂需求量，在同样工作寿命下增加卫 星的有效载荷，或在有效载荷不变条件下提高航天器寿命。 （ 可大大减少航天器推进剂需求量，在同样工作寿命下增加卫 星的有效载荷，或在有效载荷不变条件下提高航天器寿命。 （2）推力小推力小 一次机动中，推力作用时间可长可短，控制精度高。一次机动中，推力作用时间可长可短，控制精度高。 2015/12/10 18 1.1 推力器 四、电推进系统 2015/12/10 电推 力器 电推 力器 电热式电热式 电阻加热推力器电阻加热推力器 电弧加热推力器电弧加热推力器 微腔放电推力器微腔放电推力器 微波等离子体推力器微波等离子体推力器 电磁式 （等离子体） 电磁式 （等离子体） 脉冲等离子体推力器脉冲等离子体推力器 磁等离