控制力矩陀螺的高频微振动特性研究

High attitude stability is one of the important issues to obtain high resolution pictures for satellite. However, the control momont gyro(CMG) which is widely used in satellites, will produce high frequency microvibrations.These microvibrations will influence the attitude satbility and pointing precision significantly. Thus, the microvibrations have to be contolled. Unfortunately, the mechanism and characteristics of microvibration of CMG are not still understood clearly at present. In order to solve this problem, firstly, the micrvibrations characteristics of CMG are studied based upon the Herztian theory when the gimbals is static. After that the coupled dynamic models of CMG with motive gimbals are presented, and the microvibration characterisitcs are analyzed by using the multiscale analysis method. The microvibration characteristics of CMGs with different configuration and the microvibration test are developed. All these studies will help us to reveal the mechanism of CMG's microvibration, to understand the microvration characteristics and provide accurate dynamic model. These results will establish fundaments for the microvibration control of CMG.

卫星的高姿态稳定度是确保高分辨率成像的关键之一。作为卫星姿态控制系统的执行机构，控制力矩陀螺（Control Moment Gyro，CMG）在工作时产生的高频微振动将严重影响卫星姿态稳定精度，降低成像质量。因此，必须对这种微振动实施控制。但是，对CMG高频微振动产生的机理、振动特性、振动传播特性以及CMG群组的振动特性，目前还没有很好的理论解释和分析方法。针对这些问题，本项目首先基于Herztian弹性接触理论研究框架静止时CMG的微振动特性，然后建立框架运动时系统的耦合动力学模型，应用多尺度方法分析系统的微振动特性，并研究不同构型CMG群组的微振动特性，最后将实验测量的CMG微振动特性与理论分析结果进行对比。通过研究，揭示CMG产生高频微振动的机理，准确把握它的振动特性，提供较为准确的理论分析模型，为CMG高频微振动的控制奠定基础。

高分辨率对地观测、深空探测、激光通信等航天任务，对航天器指向精度和姿态稳定度提出了越来越高的要求。控制力矩陀螺（CMG）是典型的航天器姿态控制执行机构，在工作时产生的微振动将严重影响航天器姿态稳定度。控制力矩陀螺的微振动扰动，已成为制约高精度航天器发展的瓶颈之一。.针对CMG微振动问题，项目从CMG动量轮系统扰动特性、动量轮系统与框架系统耦合动力学特性、CMG群组与隔振平台耦合动力学特性、动量轮与CMG微振动试验测试等方面开展了研究，取得的主要成果如下：. 1.建立了CMG动量轮系统的扰动动力学模型，揭示了质量不平衡和轴承非线性产生的扰动力和力矩的规律。. 提出了基于力/位移传递矩阵的飞轮扰动特性建模方法，建立的线性化动力学模型考虑了质量不平衡等扰动因素，发现了发现了当轴向惯量大于径向惯量时，质量动不平衡不会激起飞轮正进动与反进动模态的结论；提出考虑轴承非线性振动特性的动量轮系统微振动扰动建模方法，建立了动量轮系统的非线性动力学模型，揭示了轴承非线性振动产生高频扰动的规律。. 2. 建立了考虑转子-轴承和框架-轴承耦合的CMG动力学模型，揭示了转子高速旋转对框架运动和扰动力的影响规律。. 建立了典型CMG系统的微振动耦合动力学模型，该模型可准确反映转子轴承系统和框架轴承系统的耦合特性。分析表明CMG框架转动导致扰动输出力和力矩随框架角的变化而变化，且在不同方向上的扰动存在差异；由于转子-轴承系统和框架-轴承系统存在运动耦合，增大转子转速将增大框架的视转动惯量。. 3. 建立了CMG群组和隔振平台的系统耦合动力学模型，该模型可准确描述系统质量和惯量变化、陀螺效应以及框架转动效应。. 针对CMG群组设计了采用隔振杆单元的全向隔振平台，基于Lagrange方程建立了CMG群组与隔振平台系统的耦合动力学模型。该模型反映了CMG群组的框架转动效应、质量和惯量分布特性、陀螺效应等。分析发现CMG陀螺效应的相互作用是引起扰动的主要原因，框架转动时系统惯量特性变化也会影响扰动力。. 4. 开展了飞轮和CMG微振动扰动特性实验研究，验证了动力学模型的正确性。. 以飞轮和单个CMG为对象，通过试验获取了典型飞轮和CMG的微振动扰动力和扰动力矩，并将实验结果与理论模型进行对比，验证了动力学模型的正确性。