三轴姿控动量球的仿真-物理联合研制试验

    0 引言

    高性能微纳卫星通常需要轨道姿态机动、编队群网协同等能力，其实现均离不开姿态控制系统。随着微纳卫星技术的发展，其姿态控制系统已经从最早的磁强计/GPS测量、被动/磁控/偏置动量控制，发展为目前的星敏/太敏/GNSS测量、飞轮/CMG控制。近年来，随着立方体卫星等微纳卫星向高性能实用化系统的迅速发展，国际上也在开展动量球姿控执行器技术的研究。动量球具有的三轴直驱姿控能力、高功能密度比、高容差性、无轴间交联耦合、动平衡鲁棒性等优势，展现了独特的吸引力，受到各航天强国的关注和重视。美国Noqsi公司、麻省理工学院(MIT)、瑞士电子与微技术研究中心（SCEM)与洛桑联邦理工大学（EPFL)等已研制了原理样机。

    目前，国内外鲜有动量球设计定型前开展研制试验的报道，而研制试验对于在产品研制阶段早期发现和消除设计和工艺上的薄弱环节，提高产品可靠性有重要意义。美国高度重视研制试验，在航母、无人机、反导系统等重大国防项目中都开展了细致的研制试验，美国国防部近几年来都会发布研制试验的研制报告，总结和推动研制试验的发展。美国还非常重视计算机仿真技术在研制试验中的作用，成立了“卓越中心”推动计算机仿真技术在研制试验中的应用。

    动量球采用一个球形转子，实现三轴指定方向姿控力矩输出，单机即可实现三轴姿控。但是，作为新研产品，其设计参数尚未完全定型、需要通过研制试验进行设计优化和改进。本文针对新研动量球开展了仿真-物理联合研制试验，动量球研制样机的结构强度、进行验证，发现产品设计薄弱环节，提出产品设计改进建议。

    1 动量球结构简介

    所研究的动量球主要由主框架、转子球、限位装置、锁紧机构、线圈、铁轭支架、预紧绳、铰链等组成，参考图1。在预紧绳的作用下，锁紧机构绕铰链发生转动，夹紧转子球，转子球同时被8个限位装置的万向球约束。

    为了方便下文描述，定义以转子球为中心的坐标系如下：

    （1）坐标原点0:转子球的球心；2)X轴：过坐标原点，铰链孔轴线方向；3)Z轴：过坐标原点，垂直于底座平面；4)Y轴：与Z轴、X轴构成右手坐标系。

    图1 动量球几何模型

    2 仿真试验

    2.1 分析思路

    由于存在多处接触对，针对动量球这种复杂的多体接触结构进行直接分析常常遇到不收敛的情况，因此采取如下“化整为零，各个击破”的力传递法分析思路：