章晓明 吕奇超 谭天乐

1.上海航天控制技术研究所，上海200233

2.上海市空间智能控制技术重点实验室，上海200233

陀螺飞轮是一种适用于微小卫星姿态控制的新型执行机构，它的结构类似于两自由度动力调谐陀螺，即用一个两自由度挠性支架支撑动量转子，挠性支架与驱动轴固连［1-5］，驱动轴在电机拖动下高速旋转，并通过加减速在驱动轴方向输出控制力矩;同时，飞轮转子在一个两维力矩器作用下实现两自由度侧摆，通过改变飞轮动量矩的方向在与驱动轴垂直的平面内输出两轴控制力矩。因此陀螺飞轮是一种能实现三轴控制力矩输出的执行机构。一台陀螺飞轮可以实现一台偏置动量轮和两台零动量轮的功能［6］，即可用一台陀螺飞轮实现微小卫星三轴姿态稳定控制。

挠性框架是陀螺飞轮的核心部件，其力学性能对陀螺飞轮整机性能具有重要影响。本文通过数值计算，分析挠性框架平衡环的惯量特性、内/外弹性元件的摆动刚度及倾侧角度对陀螺飞轮整机性能指标的影响。

1 陀螺飞轮数值计算模型

1.1 陀螺飞轮动力学方程

陀螺飞轮的拓扑结构可用如图1所示的刚体动力学模型描述，其中B0为陀螺飞轮壳体，B1为主轴，B2为平衡环，B3为转子。

B1通过圆柱铰H1与B0连接，H1的旋转轴线为Z轴，H1上有一个约束力元T1表示电机输出力矩，H1是驱动轴支承轴承的力学模型;B2通过圆柱铰H2与B1连接，H2的旋转轴线为X轴，H2上有一个约束力元T2表示内扭杆的弹性恢复力矩，H2是飞轮转子绕内扭杆摆动运动的力学模型;B3通过圆柱铰H3与B2连接，H3的旋转轴线为Y轴，H3上有一个约束力元T3表示外扭杆的弹性恢复力矩，H3是轮转子绕外扭杆摆动运动的力学模型。……