球壳型磁流体三轴调姿多场耦合动力学及其调姿机理

A new method to the three-axis attitude controling of satellite with spherical shell -type magnetohydrodynamics flow is put forward. Compared with the existing methods, such as mechanical flywheel, it has the tremendous advantages, and the three-axis adjustment needs only one set. According to the requirements of the attitude control mission, the electromagnetic actuator ring controlling the magnetohydrodynamics fluid movement needs to adjust to the given vector position. Except the ring, there are no other high-speed mechanical movement but fluid movement. So the set has very high reliability and a long life. Focusing on satellite three-axial attitude control, the project will research the modelling method and analysis of magnetohydrodynamics in the spherical shell-type space with the multi-field coupling of machine-electric-magnetic-fluid field, it provides a theoretical basis for the magnetohydrodynamics control; Besides, research the dynamic model of interaction among magnetohydrodynamics fluid, ring electromagnetic actuator and satellite, for purpose of revealing the mechanism of their interaction and the dynamic controlling to satellite attitude; research the mechanism design methods with multi-field coupling spherical shell-type magnetohydrodynamics and develop a prototype machine; By experiment in the air floating platform satellite simulator to simulates the micro-gravity environment of outer space, demonstrate the effectiveness of three-axial attitude control mechanism of the spherical shell-type magnetohydrodynamics fluid.

提出一种球壳型磁流体实现卫星三轴调姿的新方法,与现有主要调姿方法如机械飞轮等相比，具有颠覆性的优势，并且三轴调姿仅需一个调姿机构即可实现。根据调姿要求，只需将控制磁流体运动的环形电磁驱动器调整到某一矢量位置，对磁流体运动进行控制，除此以外，它只有磁流体运动，没有任何其它高速运动的机械零部件，因此具有极高的可靠性和寿命。项目针对卫星三轴调姿：研究机-电-磁-磁流体等多场耦合下球壳型磁流体运动的动力学模型建模及分析方法，为磁流体动力学控制提供理论基础；研究磁流体运动、环形电磁驱动器与卫星本体相互作用动态模型，揭示它们相互作用的机理，为磁流体调姿动态特性控制提供依据；研究球壳型磁流体调姿机构的多场耦合设计理论与方法、调姿控制方法等，并研制原理样机；在模拟太空微重力环境的气浮平台卫星模拟器上，进行原理样机实验，以验证球壳型磁流体三轴调姿机理，并通过性能测试证明调姿方法的有效性。

研究并提出了一种球壳型磁流体三轴调姿机构，仅使用一个调姿机构，可以实现卫星的三轴调姿任务。在调姿过程中，除了电磁驱动器做必要的运动，只有流体作旋转运动，产生角动量用于调姿，没有其它作持续高速运动的机械零部件。研究了磁流体调姿机构在机-电-磁-流体等多物理场耦合作用下磁场和流场分布特性。研究了调姿机构的几何设计参数、电流强度和频率对调姿性能的影响。建立了球壳型磁流体调姿机构的运动学和动力学模型，搭建了球壳型磁流体调姿机构的矢量控制系统和姿态控制系统。.将球壳型磁流体调姿机构等效为单轴调姿地磁流体调姿机构，研究了单轴环形磁流体调姿机构的多物理场分布特性及电磁拓扑结构，建立了磁流体动量环调姿动力学模型，并进行了尺寸优化；提出了一种兼顾卫星姿态控制与热量控制的主/被动式系统。提出了一种三维永磁系统多材料统一拓扑优化模型及拓扑优化方法；提出了一种永磁机构多级优化方法，实现了对磁流体动量环磁路优化设计；提出了一种基于形状方程的管道截面形状优化方法，实现了磁流体多物理场下流体管道截面形状优化。.共研制了4套磁流体调姿机构的样机，搭建了配套的实验平台，并完成了验证实验，实验结果表明磁流体机构能够提供可控的调姿力矩，采用磁流体机构进行调姿是完全可行的。.