題:
為什麼反作用輪不會隨著時間的推移而破壞航天器的穩定性?
Parker Hoyes
2015-12-02 06:41:43 UTC
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讓我們考慮一種假設情況,其中將通信衛星發射到軌道上。但是,沒有完美的發射方式,因此,在倦怠之後,衛星會加速滾動。為了糾正這一側傾,衛星配備的反作用輪用於施加必要的扭矩,以抵消航天器的旋轉。這是通過以與航天器旋轉方向相反的方向旋轉反作用輪來完成的,直到施加了足夠的角動量以使航天器的旋轉無效為止。

但是,在這種情況下,反作用輪仍將是即使在修正船隻的角速度時也可以旋轉。這裡有幾個問題...

如果我們假設摩擦可以忽略不計...

如果我們假設摩擦可以忽略或不存在,那麼現在的反作用輪旋轉將繼續旋轉,直到反作用輪再次通電(按照牛頓的第一運動定律)。現在讓我們說,由於外部因素的影響,航天器在與以前相同的方向上吸收了更多的旋轉,並且反作用輪必須進一步加速以應對這種情況。最終,這種向反作用輪上累積的角力將使反作用輪加速得如此之快,以至於超出了結構完整性的極限-這是很糟糕的。

如果考慮摩擦力... h1

如果在上述假設的情況下我們認為摩擦是一個因素,那麼當施加摩擦力時,反作用輪將開始減速。但是,這種摩擦力不僅會作用在飛輪上,而且作用力相等,相反的反作用力還會使航天器旋轉並使其不穩定,因此有必要更多地使用反作用輪...

反作用輪本身沒有能力穩定航天器嗎?如果沒有,為什麼不呢?

他們將。這就是為什麼動量因[torque rods](http://space.stackexchange.com/questions/2239/what-is-the-math-behind-magnetorquers/2312#2312)或推進器等而飽和的原因。
四 答案:
Puffin
2015-12-02 07:04:07 UTC
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要回答您的問題“是真的嗎……”,那麼最好是了解上下文。

反作用輪將與一個傳感器在一個環路中,該傳感器可檢測衛星的一個或多個動態特性,例如通過地球或恆星傳感器的角度或來自陀螺儀的速率。在相關的控制迴路中也可能有一些“外部”執行器,例如推進器或磁矩器。

如您所指出的那樣,如果持續施加干擾扭矩,則該環路將命令反作用輪更快地運行,直到其速度達到飽和為止。可以選擇在很久之前到達此位置,以通過外部致動器之一卸載存儲在車輪中的動量來防止飽和。

在執行指向地球任務的情況下,某些外部扭矩在衛星軌道上是周期性的,而有些則不是。根據應用的不同,可以調整輪子和控制環的尺寸,以便吸收並及時反饋週期性的周期性擾動(即,一個週期內的淨速度變化= 0),並且只需要關掉

為了解決關於摩擦的問題,在衛星結構和輪子之間會發生一些摩擦。只需花一點精力來保持車輪速度恆定就可以產生影響,按照定義,使用“更多的反作用輪...”只會使它們保持在命令速度。

我的問題也許沒有遇到的主要問題是“能量會流向何處?”。來自反作用輪的力的施加導致航天器的穩定,而且導致反作用輪的連續運動。那麼,這是否意味著反作用輪一直在旋轉,如果不是這樣,是否會導致問題,正如我在答案中所描述的那樣,它涉及旋轉積累,最終RW超出了其結構限制?
@ParkerHoyes Puffin提到了從航天器中去除能量的兩種方法。 1-發射推進器,在這種情況下,能量轉移到從推進器噴出的氣體羽流中; 2-扭矩在船舶軌道上的某些點施加到船舶,這意味著地球正在施加扭矩。我不知道這種情況會影響它的旋轉,但是太陽同步軌道的工作是因為航天器在經過赤道時會產生扭矩。
@kimholder都是有效的點-但是我知道,將推進器單獨用於一般姿態控制是不切實際的,因為使用有限的燃料成本很高,並且不會用於常規姿態控制。而且,輻射壓力,重力梯度,大氣阻力等因素所施加的扭矩將無法充分控制以完全實現姿態控制(開普勒案除外)。我試圖弄清楚的是,儘管有我寫過很多問題,RW還是很實用的,而這些解決方案本身並不是很實用
ISS使用控制力矩陀螺儀,但是當它們飽和時,必須通過發射推進器將其卸載。這是在現實世界中使用的實用解決方案。
推進器的基本缺點是它們的推力不能完全控制。點火/熄火不正確,流量不正確等。它們不能用於精細的姿態控制。但是它們仍然足以使車輪去飽和,並將車輪的轉速從數千RPM降低到幾RPM。然後,您可以使用反作用輪以單獨的RCS推進器無法精確地微調飛行器的姿態。是的,RCS的燃料是探針壽命的限制因素之一。
使用衛星要容易一些:磁矩雖然弱得多,但不會耗盡燃料,但它們需要地球磁場才能起作用。因此,在衛星穩定的情況下,他們可以使反作用輪降至0速度平坦。並且一旦穩定下來,衛星就趨於保持穩定,地球的潮汐力以穩定的方式起作用。如果沒有磁場推動或穩定潮氣,探頭會變得更糟-它們必須依靠RCS推進器及其燃料儲備來使RW飽和。
@Parker Hoyes請讓我們知道,如果我們集體錯過了您的問題的重點,而您正在尋找一個不同的角度。回顧我的評論以及其他評論和對我的單獨回答,很明顯,我們都將車輪具有最大能力的想法(即“飽和”)聯繫在一起,然後通過“降低飽和度”阻止車輪達到該極限。通過推進器或磁矩的“卸載”過程。您是否對這些術語還有其他疑問?
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Zan Lynx
2015-12-02 07:59:55 UTC
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我只是一個狂熱者,但我曾在一家航空航天公司實習過一段時間,並且主要從姿態控制系統編程角度對衛星設計有所了解。

反作用輪,電磁棒和推進器。

磁體非常有用,可以壓向地球的磁場並使反作用輪減速。

推力器用於轉速很高的極端情況。這可能是與總線的分離不良,或者是微流星/碎片撞擊,甚至是車輪上的軸承凍結。這是航空航天工程:所有可能的故障都在清單上。無論如何,推進器是最後的選擇,因為每次使用都會對任務時間產生重大影響。

根據航天器及其定向要求,反作用輪可以一起使用以減慢並分散輪的旋轉速度。

航天器可以旋轉,以便車輪可以開始向另一個方向旋轉。此外,車輪具有陀螺效應,必須加以控制,這些效應也可以用來抵消另一個車輪的旋轉。

您在此處開頭是指磁石-https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetorquer。您可以將鏈接添加為參考;)。
非常有趣的一點是,如何通過改變飛行器的姿態將反作用輪反向使用以反向旋轉,以及有關輪子的陀螺效應的一些知識,這正是我所尋找的
Ross Millikan
2015-12-02 11:57:55 UTC
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反作用輪可以存儲高達一定極限的角動量。如果您對衛星上的扭矩進行傅立葉分析,則有些是恆定的,有些是正弦的。反作用輪可以存儲正弦曲線部分,並在扭矩為另一個方向時將其傳遞回去。從長遠來看,它們無助於恆定扭矩。為此,您需要推力器(使用燃料)或磁力轉矩器(對地面有反應)。兩者均可將扭矩傳遞到不需要存儲的衛星。通常,您可以假設車輪上的摩擦力可以忽略不計-用少量的電力即可克服。通常,您需要確定反作用輪的大小以覆蓋最壞的正弦轉矩,然後以其他方式處理長期轉矩。如果使用推進器,則這是推進劑預算中的一項,這可能是衛星壽命的限制。

Astroynamicist
2015-12-03 00:14:05 UTC
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反作用輪完全有能力使航天器免受重力梯度轉矩,大氣阻力和太陽輻射壓力等微小擾動的影響,但是在軌道插入後進入您的初始情況時,很難使用反作用輪來穩定。為此,我們使用了被動控制,如溜溜球旋轉或解放阻尼器。

具有零初始角動量的反作用輪將花費相對更多的時間來使其不穩定,因此優先級降低。一種替代方法是使用慣性輪,該慣性輪的初始角動量可以在發射前進行預先調整,以發揮最大作用。

讓我們來談談無摩擦的情況

您受到了很小的干擾,從而激活了反作用輪,一旦衛星穩定下來並且關閉了轉輪,它們將繼續無限旋轉,但是最大角動量有一個限制。達到此值後,它們將不再有效,因此不會提供任何輸出扭矩,這將需要一些動量釋放機構才能運行。這就是重點所在。一旦它們朝相反方向發射,它們的輪就變得不飽和,現在又恢復工作,但是由於它們仍沿相同方向旋轉,這將導致衛星隨其一起旋轉,並作為信號饋入系統。與以前相反的方向擾動,因此將信號發送到控制器以使輪子沿相反的方向旋轉。因此,衛星將永遠不會位於零位置,而是會在平衡點附近移動,該平衡點將考慮您提到的情況而預先確定的預定幅度和頻率。

在您的動量傾銷之後的情況下,如果在與以前相同的方向上存在另一個擾動,則會再次激活車輪,但是系統會知道其當前角速度和抵消該擾動所需的速度,因此不一定加速輪子,而不是放慢輪子,因為最大ang也有限制。 vel。

對此有另一種方法,該方法包括將車輪配置為不沿軸排列,而是像具有4RW的金字塔那樣配置,以使每個車輪都對應於控製作用,從而進一步降低了諧波。運動。

作為控制工程師,最大程度地減少這種諧波運動是您的工作。推進器是最差的,需要強大的非線性控制器。



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