(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111924140 A(43)申请公布日 2020.11.13
(21)申请号 202010765375.2(22)申请日 2020.08.03
(71)申请人 西北工业大学
地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人 王长青 付强 孙佩杰 郭永 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心
61204
代理人 陈星(51)Int.Cl.
BG 1/40(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
CN 111924140 A(54)发明名称
一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置(57)摘要
本发明公开了一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置，该矢量推进装置安装在空间系绳系统单端星体上，可以转动并为系统提供变方向矢量推力。其转动轮带动推进器以子卫星和系绳连接点为中心，沿卫星和系绳连接平面，在空间系绳系统旋转面外方向360°旋转以控制推进器面外推进角，通过控制推力方向代替安装多组推进器，进行空间系绳系统面内运动和面外运动的控制；液压杆带动推进器以推进器固定座安装轴为中心，在空间系绳系统旋转面内方向90°偏转以控制推进器面内推进角，使推进器轴线过卫星的质心，减小推力对空间系绳系统两端卫星姿态的影响。利用空间系绳系统单端星体上的推进装置实现旋转运动控制，使其控制更加精准。
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权 利 要 求 书
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1.一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置，包括推进器旋转控制机构、推进器、转速传感器、传动轴、电机、控制器、转动轮、推进器固定座、液压杆，其特征在于:所述推进器旋转控制机构安装在空间系绳系统子卫星星体上；其中，转动轮嵌入在系绳系统子卫星与系绳连接的部位，带动推进器以子卫星和系绳连接点为中心，沿卫星和系绳连接平面并在垂直与空间系绳系统旋转面外方向360°旋转，用于改变推进器推力方向；液压杆与转动轮和推进器固定座连接，带动推进器以推进器固定座安装轴为中心，在沿空间系绳系统旋转面内方向90°偏转，用于确保推进器轴线过子卫星质心，减小推力对卫星姿态的影响；
所述推进器固定座安装在转动轮中心部位，推进器固定座偏转端与液压杆连接，所述推进器与推进器旋转控制机构配合安装，推进器与控制器通过控制线路相连，实现对推进器推力大小控制；所述转速传感器位于传动轴上部安装在卫星壳体内壁上，转速传感器用于反馈推进器转动角度；
所述传动轴一端与位于卫星内部的电机输出轴通过联轴器固连，传动轴另一端与转动轮上推进器固定座相连接，电机通过传动轴带动转动轮转动，传动轴将电机的动力传递给推进器旋转控制机构，使推进器旋转控制机构旋转以改变推力方向；
所述电机与所述控制器配合连接，并通过控制器安装在系绳系统子卫星内部，由空间系绳系统绳端卫星供电驱动，电机和控制器用来改变推进器在卫星上的推进力方向角；
所述控制器用于储存控制程序和输出控制指令；控制器通过控制推进器和电机实现对空间系绳系统面内运动和面外运动的控制。
2.根据权利要求1所述的用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置，其特征在于:所述转速传感器采用激光式转速传感器。
3.根据权利要求1所述的用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置，其特征在于:所述推进器为离子推进器。
4.根据权利要求1所述的用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置，其特征在于:所述电机为可实现正反转和调速的直流电机。
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说 明 书
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一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置
技术领域
[0001]本发明涉及空间系绳系统设备技术领域，具体地说，涉及一种为空间系绳系统旋转运动控制提供推力的矢量推进器装置。
背景技术
[0002]空间系绳系统以其独特的结构和性能，在对地观测、卫星变轨、清除空间碎片、空间载荷传输、提供人造重力诸多领域有着广泛的应用前景。对比传统航天器，空间系绳系统在轨运行过程中主要利用电动力、动量交换原理的方式完成各项任务，这样可以大大减小燃料消耗。但是，由于空间系绳系统在太空中面临复杂的环境，以及航天器自身为一个欠驱动系统，所以常常需要安装推进器为系统提供辅助的推力来实现对空间系绳系统的运动控制。
[0003]推进器已被广泛运用于航天工程，推进器种类也日渐繁多。现阶段研究不论选用哪种推进器，如果需要对空间系绳系统面内和面外两个方向进行运动控制，都需要至少安装两组推进器。发明专利CN110174851A提出了“一种空间旋转系绳系统的地面半实物仿真装置”，该地面半实物仿真装置通过控制器分别控制面内、面外方向的多个喷口来模拟控制多个推进器，以实现对系绳系统面内外运动的控制。但是在系绳系统在轨运行过程中，这样多个推进器的设计会极大地增加系统的制造成本，也增大了空间系绳系统的体积和重量，为其在太空中完成各项任务带来不便。此外，传统推进器推力作用下卫星产生的姿态变化也是空间系绳系统旋转运动控制中需要解决的一个问题。
发明内容
[0004]为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置；该矢量推进装置安装在系绳系统子卫星上，能够转动并为系统提供变方向矢量推力；其转动轮带动推进器以子卫星和系绳连接点为中心，沿卫星和系绳连接平面，在面外方向360°旋转以控制推进器面外推进角，通过控制推力方向代替安装多组推进器，进行空间系绳系统面内运动和面外运动的控制。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括推进器旋转控制机构、推进器、转速传感器、传动轴、电机、控制器、转动轮、推进器固定座、液压杆，其特征在于所述推进器旋转控制机构安装在空间系绳系统子卫星星体上；其中，转动轮嵌入在系绳系统子卫星与系绳连接的部位，带动推进器以子卫星和系绳连接点为中心，沿卫星和系绳连接平面并在垂直与空间系绳系统旋转面外方向360°旋转，用于改变推进器推力方向；液压杆与转动轮和推进器固定座连接，带动推进器以推进器固定座安装轴为中心，在沿空间系绳系统旋转面内方向90°偏转，用于确保推进器轴线过子卫星质心，减小推力对卫星姿态的影响；[0006]所述推进器固定座安装在转动轮中心部位，推进器固定座偏转端与液压杆连接，所述推进器与推进器旋转控制机构配合安装，推进器与控制器通过控制线路相连，实现对推进器推力大小控制；所述转速传感器位于传动轴上部安装在卫星壳体内壁上，转速传感
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器用于反馈推进器转动角度；
[0007]所述传动轴一端与位于卫星内部的电机输出轴通过联轴器固连，传动轴另一端与转动轮上推进器固定座相连接，电机通过传动轴带动转动轮转动，传动轴将电机的动力传递给推进器旋转控制机构，使推进器旋转控制机构旋转以改变推力方向；[0008]所述电机与所述控制器配合连接，并通过控制器安装在系绳系统子卫星内部，由空间系绳系统绳端卫星供电驱动，电机和控制器用来改变推进器在卫星上的推进力方向角；
[0009]所述控制器用于储存控制程序和输出控制指令；控制器通过控制推进器和电机实现对空间系绳系统面内运动和面外运动的控制。[0010]所述转速传感器采用激光式转速传感器。[0011]所述推进器为离子推进器。
[0012]所述电机为可实现正反转和调速的直流电机。[0013]有益效果
[0014]本发明提出的一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置，该矢量推进装置安装在系绳系统子卫星上，能够转动并为系统提供变方向矢量推力。其中，转动轮带动推进器以子卫星和系绳连接点为中心，沿卫星和系绳连接平面，在面外方向360°旋转以控制推进器面外推进角，通过控制推力方向代替安装多组推进器，进行空间系绳系统面内运动和面外运动的控制。
[0015]液压杆带动推进器以推进器固定装置安装轴承为中心，在面内方向90°偏转以控制推进器面内推进角，使推进器轴线过卫星的质心，从而减小推力对空间系绳系统两端卫星姿态的影响，使控制更加精准。
[0016]通过安装在空间系绳系统单端星体上的单个矢量推进装置，实现空间系绳系统旋转运动面内、面外运动控制。本发明可以解决利用安装在绳端卫星上的传统推进器，实现空间系绳系统旋转运动控制成本高、体积大、质量重的问题。
[0017]本发明用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置，利用安装在绳端卫星上的传统推进器实现空间系绳系统旋转运动控制，可减少推进器安装数量，降低空间系绳系统制造成本、减小空间系绳系统的体积和质量；同时可以减小传统推进器推力对卫星姿态的影响。
附图说明
[0018]下面结合附图和实施方式对本发明一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置作进一步详细说明。
[0019]图1为本发明矢量推进装置用于空间系绳系统示意图。[0020]图2为本发明矢量推进装置外部整体示意图。
[0021]图3为本发明空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置内部结构示意图。[0022]图4为本发明矢量推进装置的转动轮、推进器固定座结构示意图。[0023]图中
[0024]1.子卫星 2.系绳 3.母卫星 4.运动状态传感器 5.推进器旋转控制机构 6.推进器 7.转速传感器 8.传动轴 9.电机 10.控制器 11.转动轮 12.推进器固定座 13.液压杆
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具体实施方式
[0025]本实施例是一种用于空间系绳系统旋转运动控制的矢量推进装置。[0026]如图1所示，子卫星1、系绳2、母卫星3、运动状态传感器4构成已经完成展开阶段的旋转空间系绳系统。母卫星3上安装有系绳释放装置和制动装置用来保证系绳系统平稳、快速地展开。为避免母卫星3上系绳释放、制动装置与本实施例之间的相互影响，本实施例安装在子卫星1上。此外，在利用空间系绳系统进行卫星变轨、空间载荷传输任务时，子卫星1质量一般小于母卫星3质量，要产生相同控制效果，将本实施例安装在子卫星1上所需的控制力更小。运动状态传感器4安装在系绳系统卫星外部，用于测量系绳系统实时运动状态，其包括面内角、面内角速度和面外角、面外角速度。[0027]参阅图2、图3、图4，本实施例中，推进器旋转控制机构5由推进器6、转速传感器7、传动轴8、电机9、控制器10、转动轮11、推进器固定座12、液压杆13组成；推进器旋转控制机构5安装在空间系绳系统子卫星星体上，转动轮11嵌入在系绳系统子卫星与系绳连接的部位，带动推进器6以子卫星1和系绳2连接点为中心，沿卫星和系绳连接平面，在垂直与空间系绳系统旋转面外方向360°旋转，用于改变推进器推力方向。液压杆13与转动轮11和推进器固定座12连接，带动推进器6以推进器固定座12安装轴为中心，在沿空间系绳系统旋转面内方向90°偏转，用于确保推进器轴线过子卫星质心，减少推力对卫星姿态的影响。[0028]本实施例中，转动轮11为圆轮状结构，转动轮11与传动轴8配合连结；受到传动轴8牵引时，以子卫星1和系绳2连接点为中心，在面外进行360°旋转，用于调节推力的面外推进角，实现对系绳系统的运动控制。推进器固定座12为圆筒形，推进器6固定在其内部；推进器固定座12通过轴承安装在转动轮11中心部位，推进器固定座12偏转端与液压杆13连接。推进器6采用功率大、比冲高、推力强的离子推进器，推进器6与推进器旋转控制机构5配合安装。转速传感器7安装在传动轴上部，转速传感器7用于测量电机9转速。考虑太空中的复杂环境和干扰，转速传感器7采用实用范围广、可靠性高的激光式转速传感器。液压杆13连接转动轮11和推进器固定座12偏转端。液压杆13带动推进器固定座12以固定轴承为中心在面内进行90°偏转，用于调节推力的面内推进角，使推力的方向始终过系绳系统质心，以减小推力对子卫星1姿态的影响。传动轴8穿过子卫星1外壳体侧壁，传动轴8一端与位于卫星内部的电机9输出轴固连，另一端与转动轮11上推进器固定座12相连接，电机通过传动轴带动转动轮11转动；传动轴8将电机9的动力传递给推进器旋转控制机构5，使推进器旋转控制机构5旋转以改变推力方向。电机9和控制器的矢量推进器装置来改变推进器在卫星上的推进力方向角；电机9与控制器10配合；电机9通过控制器10安装在系绳系统子卫星内部，由空间系绳系统绳端卫星供电驱动；电机配备转速传感器，用于反馈推进器转动角度。电机9为能够实现正反转和调速的无刷直流电机，以提高装置的可靠性和寿命并且消除由于电刷跳弧的无线电干扰。控制器用于储存控制程序和输出控制指令；控制器通过控制推进器和电机，实现对空间系绳系统面内运动和面外运动的控制；推进器6通过控制线路与控制器10相连，实现对推进器推力大小控制。[0029]本实施例中，控制器10安装在子卫星1内部；控制器为计算机系统，可通过编程在控制器10中预先写入控制方法，或通过地面遥控的方式对系绳系统进行控制。由转速传感器7向控制器10输入转速信号，通过积分计算，用于测量推力所旋转的面外推进角角度，以确定推力实时方向。运动状态传感器4向控制器10输入运动状态信号，用于实时反馈系绳系
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统的运动状态。通过计算，控制器10向电机9输出推力面外推进角控制信号，实现控制器10对电机9的伺服控制；向推进器6输出推力大小控制信号，实现控制器10对推进器6推力大小的控制；向液压杆13输出推力面内推进角控制信号，保证推力方向始终过子卫星1的质心。[0030]本实施例安装时，推进器6面外推进角初始方向为垂直于空间系绳系统旋转面，转动轮11以顺时针转动为正转动方向。推进器6面内推进角初始方向为平行与子卫星1和系绳2相连接的平面。
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