本發明涉及航天器的在軌姿態控制設備，具體地，涉及具有質心位置調節功能的直線旋轉雙自由度空間動量輪。

背景技術：

1、空間飛行器的姿態調整涉及到三個旋轉自由度。傳統的動量輪只輸出一個旋轉自由度，因此需要至少三個動量輪完成三個正交旋轉方向的動量矩交換，如圖10所示。一般地，為增強動量輪姿態調整的可靠性，可增加一獨立動量輪作為備份，形成四動量輪的配置方式。

2、以上現有的技術構型和路線并沒有充分考慮空間飛行器的質心偏離動量輪輸出軸引起的附加力矩干擾，以及由此引發的姿態控制精度下降、動量輪使用效率低下等問題。然而，隨著空間飛行器(尤其是微小衛星)姿態控制精度的提高、在軌時間的延長和空間操縱任務的多樣化，與質心有關的各類擾動的不利影響將越發突出。

3、一般地，與空間飛行器質心有關的擾動來源于內部和外部因素。內部因素是指航天器構型或運行狀態改變引起的質心“主動”變化。例如，有效載荷分離、空間目標抓捕或在軌維護引起的質量分布變化；大尺度太陽能帆板、天線和空間機械臂等撓性機構動作引起的質心偏移；姿態調控時，液態推進劑消耗或晃動引起的質心動態漂移；脈沖式推進器啟停時，撓性構件受激振動引發的質心跳動。上述質心位置的“主動”變化不僅導致了姿態描述的誤差，產生了固有附加擾動力矩，制約著姿軌控制精度的提高。

4、外部因素是指空間極端環境對航天器作用的不對稱性，由此偏離質心產生的擾動。例如，地球攝動和太陽光壓造成航天器經度漂移和偏心率攝動，氣動力壓心偏離航天器質心引起的附加擾動力矩，空間極端溫差(如進出地球陰影區時)引起的結構不均勻變形和大型柔性附件的熱誘發振動等。

5、內部因素和外部因素均通過質心的相對偏移引發干擾力矩。減小干擾力矩最直接有效的方法就是力臂最小化，零力臂則可以完全消除干擾力矩。

6、航天器的在軌姿態控制通常使用動量輪實現。基于角動量守恒定律，通過改變動量輪轉子的轉速，可以實現航天器姿態的改變。每個動量輪相對于航天器有固定的轉軸朝向，可為航天器提供某一特定方向上的姿態控制能力，因此至少布置三個動量輪才能完全實現航天器的三軸姿態主動控制。有時會采用四個動量輪的布置方案，多出的一個動量輪作為備份，防止某一動量輪失效，以提高姿態控制的可靠性。

7、現有的動量輪只有一個旋轉自由度。動量輪的定子與航天器固連；動量輪的旋轉轉子連續高速旋轉，保持一定的角動量，從而保持航天器的姿態。當需要調整航天器姿態時，改變動量輪轉子的轉速，就可以實現動量輪與航天器間的動量交換。

8、隨著航天器姿態控制精度的提高，動量輪應具有更高精度的運動性能。首先，動量輪的轉速應具有較低的轉速波動和較高的轉速，以具有較大角動量容量；其次，動量輪轉子旋轉時，傳遞至航天器的機械擾動要小，以利于航天器姿態控制的穩定性。因此，動量輪轉子的高轉速、低轉速波動和低擾動性將是空間動量輪的主要發展方向。

9、目前，關于動量輪的專利基本都是單自由度的構型，如cn104124791a一種基于環形電機的動量輪、cn104124847a一種基于動圈電機的動量輪、cn00001026163870b一種動量輪、cn00001060592260a一種基于盤式結構的動量輪等。一個比較新型的技術方案是cn00001092294240a一種多自由度球形電動式磁懸浮動量輪、cn00001092294240b一種多自由度球形電動式磁懸浮動量輪。這種球形動量輪本質上是用一個球體具有的三個自由度代替三個單自由度轉子。這些專利均沒有本發明所具有的可以調整動量輪乃至航天器質心的功能；因此，無法有效減弱乃至消除航天器內外因素引起的各種擾動力矩。

技術實現思路

1、針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種具有質心位置調節功能的直線旋轉雙自由度空間動量輪。

2、根據本發明提供的一種具有質心位置調節功能的直線旋轉雙自由度空間動量輪，其特征在于，包括：外定子、動子、內定子、旋轉驅動單元、直線驅動單元、滑動軸承、外鐵芯式lvdt(線性可變差動變壓器，屬于直線位移傳感器)以及直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器；

3、所述外定子、所述動子以及所述內定子由外至內逐層布置，所述外定子和所述動子上安裝所述旋轉驅動單元和所述滑動軸承，所述內定子和所述動子之間安裝所述直線驅動單元和所述外鐵芯式lvdt；

4、所述外定子、所述動子以及所述內定子側面安裝所述直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器并允許通過所述直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器產生與所述動子運動方向相反的周向阻尼力或軸向阻尼力。

5、優選地，所述旋轉驅動單元包括：旋轉驅動繞組、旋轉驅動永磁體陣列、旋轉驅動定子鐵芯以及旋轉驅動動子鐵芯；

6、所述外定子中設置所述旋轉驅動定子鐵芯，所述旋轉驅動繞組繞制在所述旋轉驅動定子鐵芯的槽內，所述動子的動子軸上安裝所述旋轉驅動動子鐵芯，所述旋轉驅動動子鐵芯上嵌入所述旋轉驅動永磁體陣列；

7、當所述旋轉驅動繞組通電后，所述旋轉驅動繞組產生的旋轉磁場與所述旋轉驅動永磁體陣列作用并驅動所述動子軸轉動。

8、優選地，所述旋轉驅動定子鐵芯和所述旋轉驅動動子鐵芯通過硅鋼片疊壓形成，所述旋轉驅動永磁體陣列包括多個徑向充磁的磁瓦，多個所述磁瓦嵌入所述旋轉驅動動子鐵芯的槽中并與槽壁粘接；

9、多個所述磁瓦的充磁方向一致并將所述旋轉驅動動子鐵芯的齒部磁化形成磁力線向內或向外穿越的鐵極，所述旋轉驅動永磁體陣列產生的磁極和鐵極與所述旋轉磁場相互作用。

10、優選地，所述直線驅動單元包括：直線驅動繞組和直線驅動永磁體陣列；

11、所述直線驅動繞組繞裝在所述內定子的內定子軸上，所述直線驅動永磁體陣列安裝在所述動子軸上；

12、所述旋轉驅動永磁體陣列設置在所述動子軸朝向所述外定子一側，所述直線驅動永磁體陣列設置在所述動子軸朝向所述內定子一側，所述動子軸的厚度滿足所述旋轉驅動永磁體陣列和所述直線驅動永磁體陣列的磁場不相互耦合。

13、優選地，所述直線驅動繞組由多個環形線圈組成，所述直線驅動永磁體陣列由halbach環形永磁體陣列(halbach，海爾貝克陣列，是一種磁體結構，是工程上的近似理想結構，目標是用最少量的磁體產生最強的磁場)構成并分別沿正軸向、正周向、負軸向以及負周向充磁；

14、當所述直線驅動繞組通入三相正弦交流電時，所述直線驅動繞組的磁場和所述直線驅動永磁體陣列的磁場相互作用帶動所述動子軸沿軸向移動從而實現所述動子的直線移動。

15、優選地，所述滑動軸承包括：滑動軸承內圈和滑動軸承外圈；

16、所述滑動軸承成對布置在所述動子軸的兩端，所述滑動軸承內圈固定連接所述動子，所述滑動軸承外圈固定連接所述外定子，所述滑動軸承內圈和所述滑動軸承外圈相互滑動連接；

17、所述滑動軸承外圈的軸向寬度大于所述滑動軸承內圈的軸向寬度。

18、優選地，所述外鐵芯式lvdt包括：lvdt線管和lvdt鐵芯；

19、所述lvdt線管固定連接所述內定子，所述lvdt鐵芯固定連接所述動子，所述lvdt鐵芯位于所述lvdt線管背向所述內定子一側，所述lvdt線管的軸向寬度大于所述lvdt鐵芯的軸向寬度；

20、所述lvdt線管包括：初級線圈、第一次級線圈以及第二次級線圈；

21、所述初級線圈、所述第一次級線圈以及所述第二次級線圈纏繞在所述內定子軸上，所述初級線圈、所述第一次級線圈以及所述第二次級線圈相互串聯，所述第一次級線圈和所述第二次級線圈的相位相對于初級線圈異相。

22、優選地，所述內定子軸設置為中空結構，所述內定子軸沿徑向設置多個大小不一的徑向孔，所述內定子軸周側的軸肩上設置開口，所述內定子軸沿軸向設置有軸向小孔；

23、所述直線驅動繞組的引線允許經過所述開口后從所述徑向孔進入所述中空結構或直接進入所述中空結構；

24、所述lvdt線管的引線經過所述軸向小孔后從所述徑向孔進入所述中空結構。

25、優選地，所述直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器包括：阻尼器線圈、阻尼板、阻尼器永磁體以及阻尼器鐵心骨架；

26、所述阻尼器鐵心骨架上安裝所述阻尼器永磁體，所述阻尼板設置在所述阻尼器永磁體的側面，所述阻尼器永磁體和所述阻尼器鐵心骨架構成所述直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器的定子部分并與所述外定子和所述內定子固定連接，所述阻尼板與所述動子固定連接并相對所述阻尼器鐵心骨架和所述阻尼器永磁體具有軸向和周向的自由度，所述阻尼器鐵心骨架具有輻條，以纏繞阻尼器線圈，所述阻尼器永磁體設置為圓環狀并沿徑向充磁；

27、當所述阻尼器線圈通入正向電流后，所述阻尼器線圈和所述阻尼器永磁體共同產生的磁路由圓環狀的所述阻尼器永磁體沿徑向輻射，穿過所述阻尼板后依次穿過所述阻尼器鐵心骨架的外壁、端部和芯軸并最終返回所述阻尼器永磁體，當所述動子帶動所述阻尼板做旋轉運動或直線運動時，所述阻尼板中生成的電渦流與所述阻尼器線圈和所述阻尼器永磁體共同產生的磁場相互作用并產生與所述動子運動方向相反的周向阻尼力或軸向阻尼力；

28、當所述阻尼器線圈通入反向電流后，所述阻尼器線圈產生的磁場與所述阻尼器永磁體的磁場抵消，實現所述動子和所述直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器的力和力矩的隔離。

29、優選地，所述外定子的外側設置定子套筒，所述外定子和所述定子套筒安裝在定子外殼內，所述定子外殼沿徑向上設置通孔，所述旋轉驅動繞組的電源引出線通過所述定子外殼的通孔；

30、所述外定子的一端設置固定端蓋，所述固定端蓋連接所述外定子和所述內定子，所述外定子的另一端設置活動端蓋，所述直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器安裝在所述活動端蓋上，所述滑動軸承外側設置滑動軸承內圈端蓋。

31、與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

32、1、與現有的單自由度動量輪相比，本發明的動量輪具有直線和旋轉兩個自由度，旋轉的輪體(動子)可以沿軸向運動，以此改變航天器系統的質心、最小化干擾力矩；

33、2、本發明采用直線驅動永磁體陣列和旋轉驅動永磁體陣列分置于動子軸內外壁的隔離布置方式，從電磁結構上避免了動子旋轉運動和直線運動互相耦合；

34、3、為適應動子的直線運動和旋轉運動，本發明的外鐵芯式lvdt在構型和尺寸設計上分別考慮了對旋轉運動和軸向運動的兼容性；

35、4、與現有的動量輪技術方案相比，本發明的動量輪自帶直線旋轉雙自由度電渦流阻尼器，可以有效抑制動量輪的殘余振動，減弱對航天器姿態的干擾，提高了航天器姿態控制的精度，本發明的電渦流阻尼器也適用于其他直線旋轉雙自由度的運動控制應用。