太陽帆反射率參數連續調控裝置設計

吳 軍,張翼飛,孫 柱,涂開武,朱仕堯

國防科技大學空天科學學院,長沙 410073

0 引言

太陽帆航天器采用無工質耗散的光壓推進方式,適合執行長航時、遠距離的小行星探測任務[1-3]。由于深空環境磁場微弱,無法利用磁力矩器進行姿態控制或飛輪卸載,而采用帆體參數調整法[4]能夠達到控制目的。當前帆體參數調整法的研究熱點為面向復合液晶薄膜的反射率控制裝置[5],通過電信號調節控制帆面薄膜材料的反射率,進而控制對應帆面的光壓力和調整力矩。此類方法無需機械執行機構,簡單可靠易實施,且通過了國外飛行任務驗證。但當前公開的技術資料中,大部分僅限于原理介紹與應用仿真,缺少可供參考的RCD實物裝置設計與實驗研究;且當前國內外反射率控制多為簡單的開關控制,不能在可調范圍內進行連續取值控制,限制了調節控制的靈活性。

因此,本文針對太陽帆航天器姿態調整或飛輪卸載任務需求,開展可實現太陽帆復合液晶薄膜反射率參數連續調節控制的反射率控制裝置設計與研制,并進行地面功能驗證實驗,為后續工程化應用奠定技術基礎。

1 問題描述與相關工作

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),形成反射率可調的復合液晶薄膜。當平行的太陽光照射在該液晶薄膜帆面上時,RCD可控制復合液晶薄膜的反射率狀態如圖1所示,左下2塊復合液晶薄膜處于加電的鏡面反射狀態,對應帆面獲得較大的光壓推力F1,而右上2塊復合液晶薄膜處于斷電漫反射狀態,對應帆面獲得較小的光壓推力F2。因為F1>F2,故太陽帆獲得對應軸向的光壓調整力矩,可用于姿態控制或飛輪卸載。

圖1 太陽帆面產生光壓調整力矩原理示意圖

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節反射率,其裝置研制與地面實驗驗證成為本文的研究重點。

1.2 復合液晶薄膜的控制原理

將透光率可調的液晶薄膜粘貼于高反射薄膜帆面,構成反射率可調的復合液晶薄膜。如圖2所示,液晶薄膜內部微米尺寸的液晶微粒均勻散布,具備強光學和介電各向異性。當復合液晶薄膜未加電(左側狀態),液晶微粒的光軸呈無序取向,入射光被強烈散射,薄膜整體表現為漫反射狀態;當復合液晶薄膜處于加電狀態,液晶微粒光軸統一轉向電場方向,入射光可穿透液晶薄膜,直達底部的高反射薄膜帆面,再反射回去,整體呈現鏡面反射狀態。

圖2 復合液晶薄膜驅動控制原理

為避免液晶薄膜因單向驅動發生電化學反應而加速老化,其驅動信號需滿足2個必要條件:1)采用正向電壓/反向電壓交替驅動的方式;2)正向電壓和反向電壓的累積驅動時間應該接近。

1.3 國內外相關工作

日本IKAROS號航天器在深空探測任務中成功使用RCD進行姿態控制,驗證了反射率控制裝置的可行性及研究價值[6],但公開的RCD實物研制資料少,且對應RCD控制狀態少(僅包含加電和斷電狀態控制),限制了控制算法實施的靈活性。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整力矩,但相關方法與控制裝置仍處于原理研究階段。

當前國內主要開展了基于RCD的太陽帆姿態控制方法與數值仿真研究,如張娟等[9]、Ji等[10]開展的RCD應用與姿態軌道控制研究,但未見專門針對太陽帆航天器的RCD實物設計與實驗驗證研究。部分調光玻璃控制裝置設計主要面向商業應用[11],尚未開展面向航天工程應用的專用設計,無法應用到太陽帆航天器中。

2 液晶薄膜反射率控制裝置的設計

2.1 基本方案設計

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生模塊和差分驅動模塊組成;信號發生模塊產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,通過配置2路IO引腳協同工作,輸出含占空比調節功能的小幅值交變控制信號;差分驅動模塊將小幅值的控制信號轉換成過零點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,該信號可直接驅動和控制復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 硬件方案設計

硬件系統方案如圖4所示。

信號發生模塊由電源變換、微控制器、RS422串口通信、狀態顯示等電路組成。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現和控制上位機的全雙工通信;狀態顯示電路用于顯示控制裝置的工作狀態,為選配電路。

差分驅動模塊由多路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6.5～45.0V,適用于微小衛星的非調節母線電壓,驅動能力強,驅動效率高。

組合構成的整體電路結構緊湊,適用于對質量和功耗要求嚴苛的太陽帆航天器。

圖4 反射率控制裝置硬件系統組成圖

2.3 控制方案設計

要產生實現反射率參數連續調控的驅動控制信號,主要分為3步:

1)產生正負交變的基頻控制信號,并確保長時間基線上正負電壓的累積驅動時間近似相等。將微控制器兩個具備PWM功能的IO端口配置為一組(如圖5中O1和O2),以設定的控制基頻F輪流輸出調節占空比的PWM控制信號和調整驅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,則處于負半周期;

2)通過N倍基頻的調制信號,對半波周期內的有效驅動信號進行PWM調節,通過調節占空比實現反射率的連續調節功能。當O2輸出低電平L,處于正半周期時,O1端口配置為PWM輸出模式,實現對+U0控制信號的占空比調控;當O1輸出低電平L時,處于負半周期,O2配置為PWM模式,實現對-U0控制信號的占空比調控;

3)O1和O2信號同時輸入到差分驅動模塊,協同控制H橋驅動芯片,差分輸出大幅值的交變控制信號(圖5中D1-D2),以驅動控制復合液晶薄膜。圖5中信號的輸入輸出波形清晰表明,經過差分驅動模塊,控制信號從幅值小于5 V的數字電壓信號放大為正負幅值均為U0的差分驅動信號(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交變驅動和正負等時驅動2個必要條件。

綜合考慮控制效率、后續控制實施的成本與控制調節的便利性,經過多輪實驗,優選控制基頻為50 Hz,可有效降低處理器的計算載荷;PWM調制頻率選定為1 kHz;驅動電壓幅值U0直接選定為航天器的非調節母線電壓(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物設備如圖6所示。

圖6 反射率控制裝置實物圖

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,測試反射率參數連續調控能力對太陽帆航天器姿態控制能力的影響。假定太陽帆航天器邊長l=10 m,太陽光壓參數為ρ=4.563×10-6N/m2,帆面薄膜密度系數δ= 55.4 m2/kg,每塊帆面的復合液晶薄膜面積為5 m2。假定薄膜初始角度ψ0和角速度ω0都為0,目標角度ψd= 5°,目標角速度ωd= 0(°)/s。通過反射率控制實現太陽帆航天器角度的機動,在此過程中因為角度變化較小,忽略角度對力矩M的影響。

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

圖7 C組角度和角速度變化曲線

圖8 三組收斂迭代次數比較圖

A組開關控制條件下迭代10000次后仍未收斂,B組迭代8471次收斂,C組迭代7179次收斂?？梢钥闯鲈谙嗤琍ID控制率下,通過提高反射率控制參數的分辨率,能夠有效提升姿態控制的收斂速度。

3 地面實驗設計與驗證

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。

3.1 地面實驗系統設計

本文構建的液晶薄膜透光率簡易測試系統如圖9(a)所示,主要通過測試液晶薄膜透光率以間接評估復合液晶薄膜反射率的控制效果。反射率控制裝置地面實驗系統的實物如圖9(b)所示。測試的液晶薄膜采用工業貨架產品,標稱最大工作電壓為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現,采用立方星常用的太陽電池片測量透光效果,需串接一個100 Ω電阻,以提高測量的抗干擾性能?？刂粕衔粰C采用通用的工控機,用于向反射率控制裝置發送占空比調節的控制指令。

3.2 結果與分析

選定U0為24.8 V,調節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條件下的有效發電功率,間接表征平行光透過液晶薄膜后的光強。實驗數據表明,隨著占空比的增加,太陽電池片發電功率逐漸增加,呈現明顯的正相關關系。但前期發電功率增加幅值大,后期增加幅值小,與電池片的非線性轉換特性相關。

表1 太陽電池片測量光強實驗數據

測試過程中,目測到液晶薄膜的透光率可以穩定切換變化且不發生閃動。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,并從側向觀測占空比為0(斷開)和100%(加電)狀態的反射率效果,具體結果如圖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 結論

設計并研制了可實現太陽帆面反射率連續調節的液晶薄膜反射率控制裝置,并通過仿真與地面實驗對控制性能進行了測試驗證,為后續在航天器上的工程化應用奠定了技術基礎。

后續需要進一步研制多通道反射率控制裝置,設計并開發高精度的數字光強采集系統,為反射率控制性能測試提供高精度的試驗驗證環境,支持反射率控制裝置的改進研發測試。