空间站的控制技术介绍.ppt

应用喷气反作用系统一方面是作为控制力矩陀螺备用，另一个方面是作为姿态机动，在必要时也可作为对控制力矩陀螺卸载。姿态控制系统原理框图见图11．4。 图11．4“自由号”空间站姿态控制系统 根据系统可靠性、质量、功耗和经济成本等主要因素综合考虑，选用6个单框架控制力矩陀螺的组合(两个备用或一个备用)为最佳方案。双框架控制力矩陀螺只有在功耗这一项性能上优于单框架，为此“自由号”空间站姿态控制系统采用单框架控制力矩陀螺比较适宜。 空间站姿态控制系统所需要的姿态敏感器，除了卫星常用姿态敏感器，例如太阳敏感器、红外地平仪、星敏感器、速率陀螺等以外，还需要交会雷达、接近敏感器、光学成像敏感器、线加速度计、无线电敏感器等。 2．“和平号”空间站姿态控制 (1)任务要求： (i)在轨道坐标系中保持空间站姿态长期稳定和对地指向，普通精度为±1.5°，高精度为±15″； (ii)具有在惯性坐标系中保持空间站姿态指向和稳定的能力； (iii)空间站上的每个观测设备都能对准所研究天体或目标并稳定； (iv)具有绕任一轴连续转动的速率控制能力； (v)姿态控制实现自动，但航天员在需要时可以介入。 (2)姿态控制系统：图11．5表示“和平号”空间站姿态控制系统原理图。空间站进行姿态大机动时，控制规律是保证燃料最省的控制算法。 空间站姿态控制系统执行机构采用单框架控制力矩陀螺，以重力梯度力矩或喷气反作用力矩作为卸饱和手段。 “和平号”空间站控制系统可靠性由系统级和部件设备级来保证。 图11.5 “和平号”空间站姿态控制系统原理图 (3)姿态控制系统结构组成： (i)姿态敏感器：“和平号”空间站采用的姿态敏感器有红外地平仪，太阳敏感器、星敏感器、磁强计、速率陀螺、太阳指示器。除此以外，还有空间六分仪。 (ii)执行机构：主要有两种类型。 第一种，统一推进系统——双组元推力器。 第二种，单框架控制力矩陀螺。 (iii)控制器——站载计算机：“和平号”空间站主体应用6台数字计算机，这些数字计算机具有完善开发的实时操作系统，6台计算机以三重冗余方式组成两套中央控制计算机系统。 11.2.3 空间站的轨道控制 空间站轨道高度根据任务需要来选择。轨道高度低对地观察有利，但是气动阻力大，轨道衰减快。综合两者利弊关系，一般空间站轨道高度选择在400～500 km之间。由于空间站是永久性的，所以在空间站必须设有轨道保持系统。 中国未来空间实验室模型虚拟图 空间站轨道保持系统一般设有推力器，可以由地面站遥控，或者航天员操作。轨道保持系统是间断工作的，根据轨道衰减程度来决定，大约几个月一次。轨道保持系统还有另一个用途，当空间站有效载荷对地观察或者空间实验有特殊要求时，轨道保持系统能使空间站轨道保持在一定范围内。 空间站系统中的极轨平台和轨道机动飞行器往往需要采用航天飞机来发射，从地面把航天器发射到240 km轨道，然后依靠推进系统变轨，这就是轨道升高；当航天器执行任务结束后，再回到航天飞机所在轨道，这就是轨道降低。 空间站是通过航天飞机或运载工具多次发射，然后把各次发射的构件在空间进行组装而成的。这里一个重要的轨道控制问题就是在空间要进行交会对接。 无论是空间站系统的轨道保持，轨道机动，还是交会对接，它们的控制过程都依赖推进系统完成。目前空间站的推进系统主要采用化学推进器，或称热气推进器，除此以外，电推进器也是一种很有前途的轨道控制执行机构。它的最大特点在于，在达到同样轨道控制目的的情况下，电推进器消耗的推进剂质量要比化学推进器减少1～2个数量级。电推进器是空间站系统以及其他航天器轨道控制和姿态控制的一种有效执行机构的发展趋势。 11.1 空间站的概念和组成 11.2 空间站的导航、制导与控制 第十一章 空间站的控制技术 空间技术发展是异常迅速的，每个时期都可以找到一个典型代表的技术成就。 第十一章 空间站的控制技术 11.1.1 空间站技术发展的概况 1971年4月，前苏联发射了世界上第一个空间站，取名“礼炮号”。继前苏联发射“礼炮号”后两年，美国发射了一个比“礼炮号”大得多的“天空实验室”空间站。 礼炮号 天空实验室 11.1 空间站的概念与组成 1983年，欧洲联合研制的“空间实验室”小型空间站，随美国航天飞机进入近地轨道。“空间实验室”由轨道工作