مدل‌سازی کامل اغتشاشات چرخ عکس‌العملی و پیاده‌سازی روی یک نمونة آزمایشگاهی

نویسندگان

چکیده

میزان کارایی ماهواره‌های تصویر‌برداری جهت انجام مأموریت بستگی زیادی به میزان ثبات ماهواره در وضعیت موردنظر دارد. ارتعاشات بسیار کوچک می‌تواند تأثیر منفی در کیفیت تصاویر داشته باشد. این ارتعاشات ممکن است به وسیله سیستم‌های مکانیکی و حسگرهایی که در ماهواره نصب شده‌اند ایجاد شود. اما مهم‌ترین عامل تولید، چرخ‌های عکس‌العملی هستند. بنابراین مدل‌سازی دقیق اغتشاشات چرخ‌های عکس‌العملی برای پیش‌بینی تأثیر آنها بر روی سازة ماهواره و در نتیجه کارایی ماهواره و نیز ایجاد روش‌هایی برای کنترل ارتعاشات ناخواسته امری ضروری است. در مقالة حاضر دو نوع مدل برای پیش‌بینی اغتشاشات چرخ عکس‌العملی ارائه می‌شود. اولین مدل، یک مدل تجربی است که بر اساس داده‌های حاصل از تست گیردار چرخ عکس‌العملی آزمایشگاهی طراحی و ساخته شده توسط نگارنده و همکاران استوار است. داده‌های تست متشکل از نیروها و گشتاورهای اغتشاشی هستند که با استفاده از یک حسگر نیروی شش محوره در سرعت‌های چرخشی یکنواخت مختلف اندازه‌گیری شده‌اند. در این مدل فرض بر آن است که اغتشاشات شامل هارمونی‌های مجزا از سرعت دورانی چرخ عکس‌العملی است که در آن دامنة هر هارمونی با مربع سرعت دوران چرخ متناسب است. این مدل قادر به پیش‌بینی اثر مودهای سازه‌ای چرخ عکس‌العملی نیست. برای این منظور یک مدل غیرخطی که براساس روش انرژی برای پیش‌بینی نیروها و گشتاورهای اغتشاشی (شش درجه آزادی) در هارمونی‌های اصلی چرخ عکس‌العملی ایجاد شده است، ارائه می‌گردد. سپس جهت لحاظ نمودن هارمونی‌های دیگر، مدل تحلیلی مذکور با مدل اول ترکیب شده و مدل بسط‌یافته ایجاد می‌شود. در نهایت به‌منظور بررسی و اعتبارسنجی مدل‌ها، مقایسه‌ای بین نتایج حاصل از دو مدل و داده‌های تست انجام می‌شود

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Development of Reaction Wheel Disturbances General Model and Validation with Experimental Data

نویسندگان [English]

  • علیرضا آقالاری
  • مرتضی ایرانزاد
چکیده [English]

Precision spacecrafts require high levels of pointing stability. Small levels of vibration can cause a significant reduction in image quality. There are many possible disturbance sources on spacecraft (mechanical systems or sensors), but the reaction wheel assembly (RWA) is anticipated to be the largest. Therefore, accurate models of reaction wheel disturbances are necessary to predict their effect on the spacecraft performance and develop methods to control the undesired vibration. In this paper, two types of reaction wheel disturbance models is presented. The first is a steady-state empirical model that was originally created based on a prototype RWA hard-mounted test data. The model assumes that the disturbances consist of discrete harmonics of the wheel speed with amplitudes proportional to the wheel speed squared. Experimental data obtained from RWA designed and manufactured by Aghalari and et al. are used to illustrate the empirical modeling process and provide model validation. The model captures the harmonic disturbances of the wheel quite well, but does not include interactions between the harmonics and the structural modes of the wheel which result in large disturbance amplifications at some wheel speeds. Therefore the second model, a nonlinear analytical model, is created using energy methods to capture the internal flexibilities and fundamental harmonic of an unbalanced wheel. Then the analytical model has been extended to capture all the wheel harmonics as well as the disturbance amplifications that occur due to excitation of the structural wheel modes by the harmonics. Finally experimental data obtained from hard-mounted test of RWA is used to determine the model parameters for both types of models and a comparison between the models and data is presented.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reaction wheel
  • Disturbances
  • Static imbalance
  • Dynamic imbalance
  • Flywheel