卫星部件用大型螺旋管式充退磁设备设计

在卫星的研制过程中,对磁性较大的部件进行充退磁处理是卫星磁试验的重要环节之一。文章简述了卫星充退磁原理、国内外卫星充退磁设备现状;提出了大型螺旋管方式充退磁设备技术方案和设计要求。设备的成功研制,填补了国内卫星磁测试领域的技术空白,已对数千个卫星部件、单机进行了充退磁试验,退磁效率达到40%～90%。     

分离式垂直方向充退磁线圈数值仿真研究

针对航天器充退磁试验对简便快捷的垂直方向充退磁设备的需求,文章提出一种分离式垂直方向充退磁线圈结构,避免了安装过程中复杂的接插工序,可有效缩短试验时间。通过理论计算说明了分离式充退磁线圈结构与现有设备的等效性,利用磁仿真平台建立了线圈结构模型,并对其充退磁特性以及由于结构改变带来的磁场均匀性误差进行了仿真分析,充分验证了理论计算的正确性。     

卫星系统和部件的退磁方法

1 前言自从对 IMP 和 OGO 卫星系统和部件进行磁试验以来,退磁已经做为一种把试验物体恢复到近零的原始磁状态的方法。1962年和1963年间,在部件磁试验设备(CMTF)中使用了直流退磁。近此时候完成的退磁试验是用60Hz 交流磁场退磁,代替了直流退磁。在一般的情况下,用初始磁场强度等于材料的矫顽力的磁场强度为铁磁材料退磁,肯定会退掉由材料磁性饱和引起的剩磁。     

卫星整星充、退磁机理研究

文章从理论上阐述了卫星整星充、退磁的机理,对其中地磁场环境中退磁与零磁场环境中退磁的差别,地磁场环境中退磁的时效性,退磁频率、波形、幅值以及周期与退磁效果的关系,磁波形与退磁效果的关系,不同材料、不同尺度的情况下退磁的效果,充磁试验与地磁场环境中材料的充磁的差别以及卫星整星充、退磁试验中退磁场的选取等问题进行了详细的理论分析,对于卫星整星充、退磁试验技术有指导作用.     

OGO和ERS卫星的磁试验

这篇文章描述了在位于 Malibu 的 TRW Malibu 磁试验设备中完成的 OGO 和 ERS 卫星磁特性的试验结果和使用的试验方法。最关心的卫星磁特性是在星载磁探测器位置处的卫星磁场,包括永磁场和感磁场。同时还关心星的"硬"磁场,即永磁场的大小和可以被一般磁化环境引起变化的"软"磁场的大小。一般磁化环境是指卫星在发射进入轨道前,会遇到的磁化环境。另外关心的磁特性是卫星磁场的分布图和位于卫星中心的偶极子矩和高阶的多极子矩,其中包括永磁矩和感磁矩。Malibu 试验室由安装在地下室6.4m 的三轴 Fanselau—Braunbeck 线圈系统和一些试验楼组成。转台位于其中的一座试验楼里,在这座试验楼里给卫星做没有线圈的磁试验。例如,OGO 卫星太大了,不能放入 Fanselau—Braunbeck 线圈系统中,因此就在此试验楼里进行试验。有线圈和没有线圈的试验方法是将卫星相对于固定的三轴磁通门探测器进行两轴旋转。旋转周期要比能觉察到的环境地磁场的变化周期短。可用一个远距离的探测器对地磁场的变化进行补偿,来满足上述的要求。磁通门探测器的输出由多通道 Sanborn 记录仪和 X—Y绘图仪记录,X—Y绘图仪可以立即按比例绘制旋转平面的磁矩大小,还可以给出在卫星座标系中的磁矩方向。卫星再绕另一相互垂直正交轴旋转,记录其数据。从这些数据中可以得到的总的磁矩矢量。ERS 卫星是一个280mm 的八面体,所以很容易将其放入 Fanselau—Braun-beck 线圈系统。在线圈系统中能够分别测量卫星场永磁分量和感磁分量。     

新型机电一体化微磁力矩器设计与实现

现代微小卫星的发展需要磁力矩器具备轻量化、低功耗、小型化、集成化等特点。提出了一种新的微型磁力矩器设计方式,采用机电一体化设计思想,使控制电路内嵌于支架的端面上,实现了磁力矩器结构和驱动电路的集成化和整体结构的小型化,明显优于传统的分离设计方式。采用单绕组线圈+脉冲宽度调制(PWM)换向驱动控制的形式,相比常规的双绕组线圈电流幅度控制形式,线圈的重量和体积都减少了一半,功耗更低,控制更加简便。驱动电路具有电流采样功能,可以实现闭环控制,相对于传统的开环控制策略控制精度更高。此外还对磁力矩器的线圈参数和磁芯参数进行了最优设计。所设计的磁力矩器在某微小卫星上已成功应用,表明了该设计方案的有效性和优越性。     

某型号卫星磁环境兼容性分析与控制

某型号卫星的主探测器光电倍增管对卫星的磁环境非常敏感,因此卫星的磁兼容分析和磁设计非常重要。文章结合此卫星的特点对整星的磁场和磁矩等磁兼容性进行了分析计算;对载荷的磁屏蔽方案进行了分析和试验,并根据试验结果给出了磁屏蔽的优化方案;通过分析磁兼容性对姿轨控系统的影响,提出了卫星设计的约束条件,最后给出了磁兼容性分析的结论。     

在地磁场中做卫星磁测量的几个问题

卫星地面磁测量是卫星环境试验的一个重要组成部分,精确的磁测量必须磁场或可控磁场中做。在没有大型磁设备的情况下,提出在地磁场中做磁测量题。本文分析了在地磁场中做磁测量的特点和影响测量精度的因素,指出了在场中做磁测量的应用范围,测量方法及在测量中应注意的问题,给出了在地磁做磁矩测量的几个试验测量结果。     

前言

随着空间事业的发展,科学研究和应用卫星将进一步得到发展,对磁敏感的星载探测器将广泛地被采用,长寿命卫星使用磁矩来控制其姿态是节能的控制方案之一,这样对卫星的磁特性测量被提到日程上来。为此,有必要建造一台大型地面磁设备,在卫星四周造成一个模拟的空间磁环境或无磁(零磁)环境,以能对卫星磁特性或星载磁敏感探测器进行精确的测量或标定。为配合地面磁设备的研制,我们再次出版一期有关航天器磁试验的     

CM2磁场梯度补偿方法研究

CM2是根据我国各种型号卫星的需求而正在建设的一个大型磁试验设备,由于设备性能要求达到国际水平,但现有的提高设备均匀度的方式很难使其均匀性达到设计指标的要求。为此文章提出:应用磁场梯度补偿的方法来减小其不均匀度,并就其具体情况设计了在主线圈的外线圈上加单向补偿绕组和1/3混合补偿绕组的磁场梯度补偿方式,并利用矩阵法来计算综合补偿时的电流值。     

CRYOGENIC TECHNOLOGY TO IMPROVE ELECTRIC THRUSTERS

This paper analyzes superconducting (SC) coils technology to improve satellite electric propulsion. SC magnets can generate very high magnetic fields with extremely low ohmic losses, low electric power and PCU weight. Moreover, the weight of SC magnet coils is quite low compared with conventional or permanent magnets capable of producing the same field strength. For instance, to obtain a 0.4 T magnetic field strength, typical of applied field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD), based on the Lorentz force, and with thrust in the range of 1 N, this paper shows that only a 40 g coil SC weight is needed, whereas an equivalent field copper winding would weigh about 36 kg. Using SC technology it is shown that the limited magnetic induction provided by a permanent magnet may be raised and also that it is possible to obtain high magnetic fields (of order of several Tesla) with fewer turns, drastically reducing coil volume, weight and complexity compared to conventional winding.

Superconductivity at low temperature (LTSC) requires liquid helium at 4.2 K to produce very high current densities: the thermal analysis in this paper shows that, depending on satellite and thruster, high temperature superconductors (HTSC) wires are sometimes better than LTSC because these can support lower current densities but with a critical superconductivity temperature higher than for LHe, requiring LN₂ at 77 K, easier to maintain during the whole mission.

Finally, this paper shows that implementing SC cryogenic technology on a satellite can be achieved with current active coolers technology.     

地磁场中卫星不侧置态下磁矩测试方法

对地磁场中卫星不倒置状态下分离卫星Z分量磁矩的测试及数据处理方法进行了研究。利用地球磁场方向特征、卫星剩磁矩与感磁矩在不同测量状态和测量过程中的变化,确定卫星Z分量磁矩含地磁垂直向感磁影响与不含地磁垂直向感磁影响的比例关系,基于积累的不同卫星水平和垂直向的磁测试数据,用近场法计算,获得了卫星Z分量的感磁系数。试验表明:用该法测得的Z分量磁矩测量相对误差不大于30%,工程上有较高的实用价值。     

采用观测器的偏置动量小卫星姿态容错控制

针对偏置动量小卫星的自主飞行问题，提出一种基于不确定项观测器的滑模容错控制方法。应用欧拉-拉格朗日系统的干扰观测方法设计不确定项观测器，对动量轮输出力矩变小、磁力矩器线圈电阻漂移等执行器故障以及小卫星外部环境力矩等不确定项进行估计，理论推导证明该观测器的观测误差一致最终有界(UUB)。基于不确定项观测器的估计值，设计补偿控制项，并与滑模控制器的控制力矩合成实现姿态容错控制。从理论上证明该容错控制方法能够使小卫星姿态快速收敛至滑模面。该容错方法无需做小角度假设，对执行器运行状态信息依赖性低。仿真结果表明，本文建议的容错控制方法具备可行性，实现了对小卫星姿控系统中不确定项的观测估计和容错控制。     

Hydrodynamic Approach to Modeling the Thermal Plasma Distribution around a Moving Charged Satellite

The electric field distribution around a charged satellite in a rarefied magnetospheric plasma influences greatly the densities and trajectories of particles measured by onboard instruments. The simulation of macroparameters of thermal plasma near the moving charged satellite, which is necessary for correction of experimental measurements, encounters considerable computational difficulties. In this work, two three-dimensional models of the electric field distribution around the satellite are considered under the conditions when the Debye length is comparable to the geometrical size of the spacecraft. In the first model a system of hydrodynamic equations of continuity and motion was used, which was solved jointly with the Poisson equation. In the second model the hydrodynamic equation of motion was used for analyzing the motion of large particles by means of the method of particles in a cell. The numerical algorithms and the results of calculations of the potential near the satellite, as well as the distributions of densities of electrons and ions and of volume charge, are considered. The results of test calculations for some situations in the ambient plasma are presented, and the influence of the spatial electric field distribution on the thermal plasma measurements is considered.     

基于LabVIEW的航天器磁试验测控系统设计及应用

针对现有航天器磁试验测控手段自动化程度低、操作复杂的问题,基于LabVIEW软件以及磁试验流程和现有设备,研制了新的磁试验测控系统,并进行了测控系统的软件设计。该系统实现了对测控电源、磁强计探头的灵活自动配置和控制,对线圈磁场的一键式远程控制,磁场波动的实时监测,磁场数据的并行采集和处理。试验验证结果表明,该测控系统具有测量与控制精度高、运行稳定可靠、自动化程度高、操作简便等特点。     

Magnetic dipole moment estimation and compensation for an accurate attitude control in nano-satellite missions

Nano-satellites provide space access to broader range of satellite developers and attract interests as an application of the space developments. These days several new nano-satellite missions are proposed with sophisticated objectives such as remote-sensing and observation of astronomical objects. In these advanced missions, some nano-satellites must meet strict attitude requirements for obtaining scientific data or images. For LEO nano-satellite, a magnetic attitude disturbance dominates over other environmental disturbances as a result of small moment of inertia, and this effect should be cancelled for a precise attitude control. This research focuses on how to cancel the magnetic disturbance in orbit. This paper presents a unique method to estimate and compensate the residual magnetic moment, which interacts with the geomagnetic field and causes the magnetic disturbance. An extended Kalman filter is used to estimate the magnetic disturbance. For more practical considerations of the magnetic disturbance compensation, this method has been examined in the PRISM (Pico-satellite for Remote-sensing and Innovative Space Missions). This method will be also used for a nano-astrometry satellite mission. This paper concludes that use of the magnetic disturbance estimation and compensation are useful for nano-satellites missions which require a high accurate attitude control.     

磁力矩器在高低温变化环境下工作磁矩实时测试方法

采用赤道作图法等常规磁矩测试方法无法实现磁力矩器在热真空、热循环等空间环境模拟试验过程中的磁矩监测。针对这种情况,文章提出了一种通过磁通反演磁矩的测试方法。该方法通过建立磁力矩器的磁矩与通过测试线圈的磁通之间的对应关系数据库,进而根据测得的测试线圈内的磁通值来间接地得到磁力矩器的磁矩值,从而实现了磁力矩器在高低温变化环境下的磁矩实时测试。     

离子推力器羽流沉积对卫星热控影响研究

离子推力器的羽流是等离子体,等离子体的组成是带电粒子,这与传统的化学推进系统的羽流成分有很大不同,带电粒子有在卫星表面吸附的倾向,会形成羽流沉积污染。这种羽流沉积会改变卫星表面的吸收率和发射率,从而影响卫星的热控性能。为了预测离子推力器的羽流对卫星的热控性能的影响,建立了离子推力器羽流模型。所建模型采用了工程化离子推力器的在卫星上的布局位置和离子推力器的工作参数,模拟了离子推力器的正离子与中和电子束在工程化中分置的实际情况,使模型更为符合实际。通过数值模拟得到了离子、电子、中性粒子的空间分布,电场分布,得到了钼粒子在卫星表面的分布及沉积厚度,比较了模型计算的离子分布与实验获得的离子分布情况,说明了模型分析的正确性,给出了卫星表面热性能的变化及局部区域温升的最大包络可达二十多度的结果。     

Attitude dynamics of a pendulum-shaped charged satellite

In this paper, we investigate the possibility of the use of the Lorentz force, which acts on charged satellite when it is moving through the magnetic field, as a means of satellite attitude control. We first derive the equations of attitude motion of charged satellite and then investigate the stability of the motion. Finally we propose an attitude control method using the Lorentz force. Our method requires moderate charge level for future Lorentz-augmented satellite.