卫星相机动平衡对整星稳定性的影响分析

一、名词释义

1.角动量

角动量( )​ 则用于描述刚体(如陀螺、飞轮)绕固定轴的转动。其中:()​ 是刚体的转动惯量,不仅与总质量相关,还与质量分布有关(如质量离轴越远,( J ) 越大);​( )​ 是刚体转动的角速度,反映单位时间内转过的角度。

2.惯性主轴

对于一个刚体,存在三个相互垂直的轴(X, Y, Z)。当物体绕其中任何一个轴旋转时,角动量矢量(L)的方向与该旋转轴(ω)的方向是一致的。这三个轴就称为该物体的惯性主轴(或叫"主惯性轴")。

物理意义:绕惯性主轴旋转时,不会产生使旋转轴方向发生变化的"扭转力矩"。旋转状态是"自然"的、稳定的。

3.旋转轴

这是转子实际工作的、由轴承定义的机械轴。"惯性主轴与旋转轴重合"意味着:当转子匀速旋转时,作用在轴承上的合力矩为零。轴承只需提供必要的支撑力,而无需提供额外的力矩来"掰正"不断试图改变方向的旋转轴。

4.静平衡

指转子的质心位于其旋转轴上。这样,转子在静态时任意角度都能保持平衡,旋转时不会产生离心力。但静平衡的转子在高速旋转时可能仍然会产生振动。

5.动平衡

指转子的质心位于旋转轴上,且其惯性主轴与旋转轴重合。这意味着转子不仅质量分布是轴对称的(消除离心力),而且质量沿轴向的分布也是均匀对称的,从而不会产生离心力偶(一对大小相等、方向相反的离心力,形成一个旋转力矩)。

二、卫星载荷相机内部的动平衡旋转机构

卫星上的光学相机内部常常有一个关键部件------反射镜或透镜的扫描机构。例如:

摆动扫描镜:为了扩大视场或进行推扫成像,相机内部有一面反射镜绕一个轴高速、往复地旋转(摆动)。

旋转滤光轮:装有不同滤光片的轮盘,为了切换光谱波段而进行步进或连续旋转。

为了保证这些机构在太空微振动环境下稳定工作、不因自身振动而影响成像质量,必须对其进行精密的动平衡校正。这个"动平衡的旋转机构"就是指已经过动平衡校正、自身旋转非常平稳的扫描电机或转子组件。

三、对卫星姿态造成的影响

1.由"残余角动量"造成的干扰:

即使经过精密动平衡,也不可能做到理论上的绝对完美。残余的不平衡量会产生微小的周期性离心力和力矩。这些力/力矩会通过机构底座传递到卫星平台,引起平台的微振动。但这部分影响通常很小,属于"扰动"范畴,一般通过整星的隔振设计或控制系统来抑制。

2.由"角动量交换"造成的姿态影响:

根据角动量守恒定律,一个孤立系统的总角动量保持不变。卫星(平台)+ 相机旋转机构构成一个近似孤立的系统。当相机内部的机构开始加速旋转时,它获得了一个角动量 H = Iω(I为转动惯量,ω为角速度)。为了维持系统总角动量为零,整星平台必须产生一个大小相等、方向相反的角动量。这表现为整星会朝着机构旋转的反方向有一个缓慢的角速度偏移。

这种由角动量交换造成的姿态影响,与机构是否动平衡无关。即使是一个理想、完全动平衡的完美旋转机构,只要它的转速发生变化,就必然会引起整星的角动量偏移。动平衡做的越好,只是消除了"不平衡振动"那部分额外的扰动,但无法消除角动量守恒定律带来的根本性影响。

四、对整星稳定度的影响大小

影响的程度可以用"姿态指向偏差和抖动幅度"来衡量,具体数值取决于多个因素:

1.旋转机构的角动量大小:

H = I * ω。摆镜的转动惯量 I 越大,工作转速 ω 越高,其角动量 H 就越大,对整星的影响也越大。

2.整星的转动惯量:

卫星平台自身的转动惯量巨大。根据角动量守恒:。整星因此产生的角速度 。平台的 越大,产生的干扰角速度就越小。

3.运动模式:

连续单向旋转:会造成整星一个稳态的、恒定的角速度漂移。这对于需要绝对静止指向的观测任务是不可接受的,由姿态控制系统(如反作用飞轮、控制力矩陀螺)来主动抵消。

五、总结

1.动平衡是使旋转部件自身平稳、减少振动的技术。

2.卫星相机内的动平衡旋转机构,其残余不平衡会对整星造成微小振动扰动。但更主要的影响来自于角动量守恒定律。机构转速变化必然导致整星姿态的角动量偏移,这与机构是否动平衡无关。

3.对整星稳定度的影响程度,取决于机构角动量与卫星转动惯量的比值以及运动模式。对于高精度卫星,即使是很小的内部机构运动,也可能造成不可接受的姿态抖动,必须通过精密的姿态控制系统、运动规划(如让机构匀速运动,或设计双向补偿机构)和隔振设计来予以抵消和隔离。