吳 軍,張翼飛,孫 柱,涂開武,朱仕堯

國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院,長沙 410073

0 引言

太陽帆航天器采用無工質(zhì)耗散的光壓推進(jìn)方式,適合執(zhí)行長航時(shí)、遠(yuǎn)距離的小行星探測任務(wù)[1-3]。由于深空環(huán)境磁場微弱,無法利用磁力矩器進(jìn)行姿態(tài)控制或飛輪卸載,而采用帆體參數(shù)調(diào)整法[4]能夠達(dá)到控制目的。當(dāng)前帆體參數(shù)調(diào)整法的研究熱點(diǎn)為面向復(fù)合液晶薄膜的反射率控制裝置[5],通過電信號調(diào)節(jié)控制帆面薄膜材料的反射率,進(jìn)而控制對應(yīng)帆面的光壓力和調(diào)整力矩。此類方法無需機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu),簡單可靠易實(shí)施,且通過了國外飛行任務(wù)驗(yàn)證。但當(dāng)前公開的技術(shù)資料中,大部分僅限于原理介紹與應(yīng)用仿真,缺少可供參考的RCD實(shí)物裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究;且當(dāng)前國內(nèi)外反射率控制多為簡單的開關(guān)控制,不能在可調(diào)范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)取值控制,限制了調(diào)節(jié)控制的靈活性。

因此,本文針對太陽帆航天器姿態(tài)調(diào)整或飛輪卸載任務(wù)需求,開展可實(shí)現(xiàn)太陽帆復(fù)合液晶薄膜反射率參數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)控制的反射率控制裝置設(shè)計(jì)與研制,并進(jìn)行地面功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),為后續(xù)工程化應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 問題描述與相關(guān)工作

1.1 太陽帆反射率控制原理

條帶狀的液晶薄膜安裝在太陽帆航天器的高反射薄膜帆面邊沿(見圖1),形成反射率可調(diào)的復(fù)合液晶薄膜。當(dāng)平行的太陽光照射在該液晶薄膜帆面上時(shí),RCD可控制復(fù)合液晶薄膜的反射率狀態(tài)如圖1所示,左下2塊復(fù)合液晶薄膜處于加電的鏡面反射狀態(tài),對應(yīng)帆面獲得較大的光壓推力F1,而右上2塊復(fù)合液晶薄膜處于斷電漫反射狀態(tài),對應(yīng)帆面獲得較小的光壓推力F2。因?yàn)镕1>F2,故太陽帆獲得對應(yīng)軸向的光壓調(diào)整力矩,可用于姿態(tài)控制或飛輪卸載。

圖1 太陽帆面產(chǎn)生光壓調(diào)整力矩原理示意圖

反射率控制裝置能夠通過主動改變施加在液晶薄膜上的電壓信號來調(diào)節(jié)反射率,其裝置研制與地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成為本文的研究重點(diǎn)。

1.2 復(fù)合液晶薄膜的控制原理

將透光率可調(diào)的液晶薄膜粘貼于高反射薄膜帆面,構(gòu)成反射率可調(diào)的復(fù)合液晶薄膜。如圖2所示,液晶薄膜內(nèi)部微米尺寸的液晶微粒均勻散布,具備強(qiáng)光學(xué)和介電各向異性。當(dāng)復(fù)合液晶薄膜未加電(左側(cè)狀態(tài)),液晶微粒的光軸呈無序取向,入射光被強(qiáng)烈散射,薄膜整體表現(xiàn)為漫反射狀態(tài);當(dāng)復(fù)合液晶薄膜處于加電狀態(tài),液晶微粒光軸統(tǒng)一轉(zhuǎn)向電場方向,入射光可穿透液晶薄膜,直達(dá)底部的高反射薄膜帆面,再反射回去,整體呈現(xiàn)鏡面反射狀態(tài)。

圖2 復(fù)合液晶薄膜驅(qū)動控制原理

為避免液晶薄膜因單向驅(qū)動發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而加速老化,其驅(qū)動信號需滿足2個(gè)必要條件:1)采用正向電壓/反向電壓交替驅(qū)動的方式;2)正向電壓和反向電壓的累積驅(qū)動時(shí)間應(yīng)該接近。

1.3 國內(nèi)外相關(guān)工作

日本IKAROS號航天器在深空探測任務(wù)中成功使用RCD進(jìn)行姿態(tài)控制,驗(yàn)證了反射率控制裝置的可行性及研究價(jià)值[6],但公開的RCD實(shí)物研制資料少,且對應(yīng)RCD控制狀態(tài)少(僅包含加電和斷電狀態(tài)控制),限制了控制算法實(shí)施的靈活性。此外,Theodorou[7]、Chujo等[8]通過改變液晶的安裝方式或者采用新型液晶薄膜獲取軸向的調(diào)整力矩,但相關(guān)方法與控制裝置仍處于原理研究階段。

當(dāng)前國內(nèi)主要開展了基于RCD的太陽帆姿態(tài)控制方法與數(shù)值仿真研究,如張娟等[9]、Ji等[10]開展的RCD應(yīng)用與姿態(tài)軌道控制研究,但未見專門針對太陽帆航天器的RCD實(shí)物設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。部分調(diào)光玻璃控制裝置設(shè)計(jì)主要面向商業(yè)應(yīng)用[11],尚未開展面向航天工程應(yīng)用的專用設(shè)計(jì),無法應(yīng)用到太陽帆航天器中。

2 液晶薄膜反射率控制裝置的設(shè)計(jì)

2.1 基本方案設(shè)計(jì)

液晶薄膜反射率控制裝置的基本組成方案及工作原理如圖3所示:反射率控制裝置主要由信號發(fā)生模塊和差分驅(qū)動模塊組成;信號發(fā)生模塊產(chǎn)生小幅值的交變控制信號,一般采用基于微控制器的最小系統(tǒng),通過配置2路IO引腳協(xié)同工作,輸出含占空比調(diào)節(jié)功能的小幅值交變控制信號;差分驅(qū)動模塊將小幅值的控制信號轉(zhuǎn)換成過零點(diǎn)的大幅值交變控制信號,一般采用大幅值U0供電的 H型電橋搭建,最終輸出差分放大的控制信號Uc,電壓變化范圍為-U0≤Uc≤+U0,該信號可直接驅(qū)動和控制復(fù)合液晶薄膜的反射率變化。

圖3 反射率控制裝置原理方案

2.2 硬件方案設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)方案如圖4所示。

信號發(fā)生模塊由電源變換、微控制器、RS422串口通信、狀態(tài)顯示等電路組成。微控制器選用AVR的ATmega2560芯片,有豐富的IO控制端口資源,且其PWM功能配置簡單,使用方便;RS422串口通信電路主要實(shí)現(xiàn)和控制上位機(jī)的全雙工通信;狀態(tài)顯示電路用于顯示控制裝置的工作狀態(tài),為選配電路。

差分驅(qū)動模塊由多路DRV8871電橋芯片及其配套電路組成。TI公司的DRV8871驅(qū)動芯片集成度高,外圍電路配置簡單;自身功耗低,工作模式靈活;工作電壓范圍寬達(dá)6.5～45.0V,適用于微小衛(wèi)星的非調(diào)節(jié)母線電壓,驅(qū)動能力強(qiáng),驅(qū)動效率高。

組合構(gòu)成的整體電路結(jié)構(gòu)緊湊,適用于對質(zhì)量和功耗要求嚴(yán)苛的太陽帆航天器。

圖4 反射率控制裝置硬件系統(tǒng)組成圖

2.3 控制方案設(shè)計(jì)

要產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)反射率參數(shù)連續(xù)調(diào)控的驅(qū)動控制信號,主要分為3步:

1)產(chǎn)生正負(fù)交變的基頻控制信號,并確保長時(shí)間基線上正負(fù)電壓的累積驅(qū)動時(shí)間近似相等。將微控制器兩個(gè)具備PWM功能的IO端口配置為一組(如圖5中O1和O2),以設(shè)定的控制基頻F輪流輸出調(diào)節(jié)占空比的PWM控制信號和調(diào)整驅(qū)動方向的相位控制信號。O2輸出低電平L,則處于正半周期,O1輸出低電平L,則處于負(fù)半周期;

2)通過N倍基頻的調(diào)制信號,對半波周期內(nèi)的有效驅(qū)動信號進(jìn)行PWM調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)反射率的連續(xù)調(diào)節(jié)功能。當(dāng)O2輸出低電平L,處于正半周期時(shí),O1端口配置為PWM輸出模式,實(shí)現(xiàn)對+U0控制信號的占空比調(diào)控;當(dāng)O1輸出低電平L時(shí),處于負(fù)半周期,O2配置為PWM模式,實(shí)現(xiàn)對-U0控制信號的占空比調(diào)控;

3)O1和O2信號同時(shí)輸入到差分驅(qū)動模塊,協(xié)同控制H橋驅(qū)動芯片,差分輸出大幅值的交變控制信號(圖5中D1-D2),以驅(qū)動控制復(fù)合液晶薄膜。圖5中信號的輸入輸出波形清晰表明,經(jīng)過差分驅(qū)動模塊,控制信號從幅值小于5 V的數(shù)字電壓信號放大為正負(fù)幅值均為U0的差分驅(qū)動信號(6.5 V ≤U0≤ 45 V)。

圖5 半波周期占空比與相位控制圖

通過上述控制方案,可滿足液晶薄膜所需的正負(fù)交變驅(qū)動和正負(fù)等時(shí)驅(qū)動2個(gè)必要條件。

綜合考慮控制效率、后續(xù)控制實(shí)施的成本與控制調(diào)節(jié)的便利性,經(jīng)過多輪實(shí)驗(yàn),優(yōu)選控制基頻為50 Hz,可有效降低處理器的計(jì)算載荷;PWM調(diào)制頻率選定為1 kHz;驅(qū)動電壓幅值U0直接選定為航天器的非調(diào)節(jié)母線電壓(常見的12 V、28 V、42 V等均可),可提高電源利用效率。

最終研制的控制裝置實(shí)物設(shè)備如圖6所示。

圖6 反射率控制裝置實(shí)物圖

2.4 反射率控制方案對比仿真

以圖1所示太陽帆航天器為例,測試反射率參數(shù)連續(xù)調(diào)控能力對太陽帆航天器姿態(tài)控制能力的影響。假定太陽帆航天器邊長l=10 m,太陽光壓參數(shù)為ρ=4.563×10-6N/m2,帆面薄膜密度系數(shù)δ= 55.4 m2/kg,每塊帆面的復(fù)合液晶薄膜面積為5 m2。假定薄膜初始角度ψ0和角速度ω0都為0,目標(biāo)角度ψd= 5°,目標(biāo)角速度ωd= 0(°)/s。通過反射率控制實(shí)現(xiàn)太陽帆航天器角度的機(jī)動,在此過程中因?yàn)榻嵌茸兓^小,忽略角度對力矩M的影響。

采用PID控制方法,每次根據(jù)角度和角速度誤差計(jì)算輸出力矩后,在受限的力矩M值集合中選取一最接近值進(jìn)行仿真計(jì)算,不斷迭代直到收斂或者達(dá)到迭代上限。共設(shè)計(jì)了3組仿真實(shí)驗(yàn),A組采用傳統(tǒng)的開關(guān)控制,M∈{0,1}; B組包含5種反射率控制參數(shù),M∈{0, 0.25, 0.5, 0.75, 1};C組采用41種反射率控制參數(shù),M∈{0, 0.025, 0.05, …, 0.975,1}。Kp=1.0472,Kd=1.2,Ki=0.0001。收斂判據(jù)為角度誤差小于10-5rad,角速度誤差小于10-5rad/s。仿真時(shí)間步長0.3 s。C組角度與角速度變化如圖7,不同組別對應(yīng)仿真迭代次數(shù)對比見圖8。

圖7 C組角度和角速度變化曲線

圖8 三組收斂迭代次數(shù)比較圖

A組開關(guān)控制條件下迭代10000次后仍未收斂,B組迭代8471次收斂,C組迭代7179次收斂。可以看出在相同PID控制率下,通過提高反射率控制參數(shù)的分辨率,能夠有效提升姿態(tài)控制的收斂速度。

3 地面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

為測試液晶薄膜反射率控制裝置的控制功能,搭建了簡單的地面測試系統(tǒng)。

3.1 地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的液晶薄膜透光率簡易測試系統(tǒng)如圖9(a)所示,主要通過測試液晶薄膜透光率以間接評估復(fù)合液晶薄膜反射率的控制效果。反射率控制裝置地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物如圖9(b)所示。測試的液晶薄膜采用工業(yè)貨架產(chǎn)品,標(biāo)稱最大工作電壓為60 V,工作頻率范圍20 Hz～1 kHz,尺寸為20 cm×30 cm。模擬平行光源采用聚光手電筒實(shí)現(xiàn),采用立方星常用的太陽電池片測量透光效果,需串接一個(gè)100 Ω電阻,以提高測量的抗干擾性能。控制上位機(jī)采用通用的工控機(jī),用于向反射率控制裝置發(fā)送占空比調(diào)節(jié)的控制指令。

3.2 結(jié)果與分析

選定U0為24.8 V,調(diào)節(jié)交變控制信號的占空比分別為0、25%、50%和100%,觀察液晶薄膜透光率的變化,并讀取萬用表測量的有效電壓值。

表1為太陽電池片在不同占空比參數(shù)條件下的有效發(fā)電功率,間接表征平行光透過液晶薄膜后的光強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,隨著占空比的增加,太陽電池片發(fā)電功率逐漸增加,呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。但前期發(fā)電功率增加幅值大,后期增加幅值小,與電池片的非線性轉(zhuǎn)換特性相關(guān)。

表1 太陽電池片測量光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

測試過程中,目測到液晶薄膜的透光率可以穩(wěn)定切換變化且不發(fā)生閃動。如圖10所示,隨著交變控制信號中半周期占空比的增加,液晶薄膜的透光率逐步變大,表明反射率控制裝置可以較好地控制液晶薄膜的透光率。

圖10 透光率控制效果對比圖

為更直觀展示反射率控制裝置的控制效果,將液晶薄膜粘貼在高反射率的鏡面上,并從側(cè)向觀測占空比為0(斷開)和100%(加電)狀態(tài)的反射率效果,具體結(jié)果如圖11所示。左右子圖存在明顯的反射效果差異,清晰表明了反射率控制的有效性。

圖11 反射率控制效果對比圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)并研制了可實(shí)現(xiàn)太陽帆面反射率連續(xù)調(diào)節(jié)的液晶薄膜反射率控制裝置,并通過仿真與地面實(shí)驗(yàn)對控制性能進(jìn)行了測試驗(yàn)證,為后續(xù)在航天器上的工程化應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

后續(xù)需要進(jìn)一步研制多通道反射率控制裝置,設(shè)計(jì)并開發(fā)高精度的數(shù)字光強(qiáng)采集系統(tǒng),為反射率控制性能測試提供高精度的試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境,支持反射率控制裝置的改進(jìn)研發(fā)測試。