西北工业大学：《航天器控制原理》课程教学资源（PPT课件）第五章 航天器的被动姿态控制系统

第五章航天器的被动姿态控制系统 5.1自旋卫星的稳定性和章动性 5.2自旋卫星的章动阻尼 5.3双自旋卫星稳定系统 5.4重力梯度稳定系统 5.5重力梯度稳定卫星的天平动阻尼

第五章 航天器的被动姿态控制系统 5.1 自旋卫星的稳定性和章动性 5.2 自旋卫星的章动阻尼 5.3 双自旋卫星稳定系统 5.4 重力梯度稳定系统 5.5 重力梯度稳定卫星的天平动阻尼

5.1自旋卫星的稳定性和章动性 自旋稳定的原理:利用航天器绕自旋轴旋转所获得的陀 螺定轴性,使航天器的自旋轴方向在惯性空间定向。 主要优点:简单。 抗干扰。 因为当自旋航天器受到恒定干扰 知用时自旋轴是以速度漂移,风气素卫是 而不是以加速度漂移。自旋稳定能使航天器发动机的推力偏 心影响减至最小

自旋稳定的原理：利用航天器绕自旋轴旋转所获得的陀 螺定轴性，使航天器的自旋轴方向在惯性空间定向。 主要优点：简单。 抗干扰。 因为当自旋航天器受到恒定干扰 力矩作用时，其自旋轴是以速度漂移， 而不是以加速度漂移。自旋稳定能使航天器发动机的推力偏 心影响减至最小。 5.1 自旋卫星的稳定性和章动性

地轴 赤道 旋轴 图5.1自旋稳定 点击观看虚拟现实演示

点击观看虚拟现实演示

511自旋卫星的稳定性 令坐标系Oxz是卫星的主轴本体坐标系,从而卫星 的主惯量分别为1,1,;惯量积为零。那么卫星姿态 自由转动(M=0)的欧拉动力学方程即可由式(3.33) 1,d01+010(1-1)=M (3.33) de O)2O2(-1)=M d 1=+02O,(y,-1x)=M

         + − = + − = + − = x y y x z z z x z x z y y y y z z y x x x I I M dt d I I I M dt d I I I M dt d I ( ) ( ) ( )          5.1.1 自旋卫星的稳定性 令坐标系 是卫星的主轴本体坐标系，从而卫星 的主惯量分别为 ， ， ；惯量积为零。那么卫星姿态 自由转动( )的欧拉动力学方程即可由式(3.33) (3.33) Oxyzx I y I z I M = 0

511自旋卫星的稳定性 令坐标系Oxz是卫星的主轴本体坐标系,从而卫星 的主惯量分别为1,1,;惯量积为零。那么卫星姿态 自由转动(M=0)的欧拉动力学方程即可由式(3.33)得 O +0.0 I,)=0 (5.1) d +0.0 (-12)=0 d02+00y (,-1,)=0 dt

5.1.1 自旋卫星的稳定性 令坐标系 是卫星的主轴本体坐标系，从而卫星 的主惯量分别为 ， ， ；惯量积为零。那么卫星姿态 自由转动( )的欧拉动力学方程即可由式(3.33)得 (5.1) Oxyzx I y I z I M = 0 ( ) ( ) ( ) 0 0 0 + − = + − = + − = x y y x z z x z x z y y y z z y x x I I dt d I I I dt d I I I dt d I         

式中,O,O.是卫星对空间的瞬时转速在本体坐标 系各轴上的分量。要分析自旋体自由运动的性质, 必须从欧拉动力学方程式(5.1)中解出爆伸角速 率 Oxyz 不失一般性,假设卫星绕Ox轴自旋,B=1、 (1)星体相对于自旋轴是轴对称的,即

式中, , , 是卫星对空间的瞬时转速 在本体坐标 系 各轴上的分量。要分析自旋体自由运动的性质， 必 须 从 欧 拉 动 力 学 方 程 式 (5.1) 中 解 出 星 体 角 速 率 , , 。 不失一般性，假设卫星绕 轴自旋，且 (1)星体相对于自旋轴是轴对称的，即 ; (2) ， 。  x  y z ω  x  y z Ox y z t I = I = I   x y   x z Oxyz

为此,式(5.1)可以进行简化,得出 d 0 (5.2a) d (2-1) (5.2b) (5.2c)

为此，式(5.1)可以进行简化，得出 (5.2a) (5.2b) (5.2c) = 0 dt d I x x  ( ) z x x z y y I I dt d I    = − ( ) x y x y z z I I dt d I    = −

将式(5.2b)和(5.2c)相互替代,则上式化为 O.三0 常数 (5.3a ah2+g2o.=0 (5.3b) (5.3c) 0 5.4

将式(5.2b)和(5.2c)相互替代，则上式化为 = 常数 (5.3a) (5.3b) (5.3c) 式中 (5.4) x =x0 0 2 2 2 +  y = y dt d   0 2 2 2 +  z = z dt d   z x y y z x x I I I I I − I −  = − 2 0 2 

显然,要使卫星绕自旋轴O旋转稳定,必须使 始 终为微量,满足条做》O,O2,即动力学方程式 53)的 解必须是李雅普诺夫意义下稳定的。其 充要条件是 g2>0 由式(5.4)分析得满足的条件是: (a)Ⅰ>1且Ⅰ>Ⅰ,即星体绕最大主惯量轴旋转 且<L,即星体绕最小主惯量轴旋转。 当条件(a)或(b)成立时,和将在有限值内振 荡;反之,和将发散,导致旋轴翻滚

显然，要使卫星绕自旋轴 旋转稳定，必须使 ， 始 终为微量，满足条件 ， ，即动力学方程式 (5．3)的 ， 解必须是李雅普诺夫意义下稳定的。其 充要条件是 由式(5．4)分析得满足的条件是： (a) 且 ，即星体绕最大主惯量轴旋转； (b) 且 ，即星体绕最小主惯量轴旋转。 当条件(a)或(b)成立时， 和 将在有限值内振 荡；反之， 和 将发散，并导致自旋轴翻滚。 x y I  I x z I  I x y I  I x z I  I  y z   x y z  y z  y z  y z 2   0 Ox

由上述简单分析得知,自旋轴为最大惯量轴(a)和最 小惯量轴(b)都是稳定的,星体保持自旋稳定的结构形状 如图52所示。 (b) 图5.2短粗和细长自旋体 (a)>(b)B K<z

由上述简单分析得知，自旋轴为最大惯量轴(a)和最 小惯量轴(b)都是稳定的，星体保持自旋稳定的结构形状 如图5.2所示