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液态金属电磁泵驱动系统实现三轴姿态控制，通过空心球内正交布置的三个电磁泵驱动液态金属循环流动，形成可控的角动量矢量。系统利用流体动力学混合原理，结合CFD模拟与实验验证，证实多泵协同工作可实现任意三维姿态调整，并评估了技术可行性。
Huu Quan Vu | Enrico Stoll
柏林工业大学，空间技术系主任，德国柏林Marchstra?e 12-14，邮编10587
摘要
目前实现航天器三轴姿态控制的先进方法依赖于陀螺仪、反作用轮和动量轮等执行器，这些执行器通过旋转固体质量来产生角动量。VEKTOR-FDA（矢量流体动力执行器）提出了一种创新方案，它使用高密度流体介质（特别是液态金属）而非旋转固体。该系统利用电磁泵在空心球形结构内驱动流体。泵通过出口通道抽取流体，并通过入口通道将其重新引入，从而在球体内形成旋转流体流动。这种质量流动产生一个与旋转轴对齐的角动量矢量。通过至少三个正交排列的泵，可以分别控制三个主轴上的流体流动，形成独立的旋转体积流体流动。这些泵的同时运行可以引起流体混合，通过调整每个泵的流速来精确控制最终的旋转轴。这种方法使得角动量矢量可以动态地指向任何所需的三维方向。
因此，单个VEKTOR-FDA单元可以实现完整的航天器三轴姿态控制，实际上起到了多自由度（MDOF）执行器的作用。VEKTOR-FDA项目由柏林工业大学空间技术系于2023年10月启动，旨在评估这一概念的可行性。
本文详细分析了这一概念的动机和理论方法，并对空心球体内的流体流动行为和混合动态进行了分析和实验研究。研究探讨了影响高效流体生成和角动量矢量定向的各种因素。此外，还通过开发模型评估了该执行器的技术可行性，并在其早期开发阶段对其潜在性能进行了评估。
部分摘录
引言与动机
控制航天器三轴姿态的标准方法依赖于陀螺仪、反作用轮和动量轮等执行器，这些执行器通过旋转刚体或固体质量来产生角动量。VEKTOR-FDA（矢量流体动力执行器）通过使用液态金属作为高密度流体介质，提供了一种创新方案[1]、[2]。该系统采用电磁泵[3]、[4]在空心球体内循环液态金属。
目标
基于这一假设，Vu之前的研究[9]已经探讨了以下方面：
•现有技术及理论框架： 流体力学中先前研究及理论概念的概述及其在球形几何体中的应用。
•影响因素的分析与实验研究： 不同进出口通道的配置、几何形状和横截面形状对流体流动的影响。
•特性分析：
理论方法
该假设的理论方法基于Vu关于空心球体内流体流动的研究[9]。研究表明，单个泵如何产生旋转流体流动，以及进出口通道的配置如何影响流动的均匀性和速度分布。在流体动力学中，这种旋转流体流动由流线表征。当综合考虑所有流线时，运动可以简化并描述为
二维：分析与仿真
为了从理论上验证这一假设，首先进行计算流体动力学（CFD）[22]仿真，以确定二维空间中的流动混合情况。研究[9]的结果表明，泵的进出口通道的相对位置显著影响球体内的流动均匀性。各个流动的均匀性对最终流动和旋转轴的定向起着关键作用（这里的均匀性指
二维：实验验证
为了验证仿真结果是否适用于实际模型，实验复制了配置2。实验装置和流体流动的可视化测定过程在图13中以示意图形式展示。
这里的空心球是一个透明玻璃球，它有两个相互垂直的圆柱形开口。两个流体模块被插入这些开口中。
三维：理论方法、分析与仿真
第2节“理论方法”和第3节“二维：分析与仿真”中的分析和实验结果表明，通过同时运行两个正交排列的泵，该假设在二维空间中是可行的。在此基础上，下一步是探讨这一假设是否也可以扩展并应用于三维空间。因此，本节的目标是扩展该方法的适用性。
技术可行性和功能性的研究
前一节的结果从分析和实验上证明了这一假设的可行性。因此，下一步是进一步研究第1.2节中提出的第三个目标。具体来说，这涉及验证仿真和分析结果是否可以应用于实际液态金属模型，以及该系统在技术上是否可行。该系统包括空心球、电磁泵、液态金属和控制装置
结论与展望
本研究探讨了一种基于空心球内旋转液态金属的航天器三轴姿态控制系统。功能假设认为，三个正交排列的泵在同时运行时会产生独立的流体流动，这些流动合并为最终流动。通过调整泵的入口速度，可以精确控制最终流动的旋转轴，即角动量矢量。
基于此，提出了一个操作
作者贡献声明
Enrico Stoll：撰写、审稿与编辑、监督。
Huu Quan Vu：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源协调、项目管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
特别感谢空间技术系主任以及始终提供专业支持的各位同事。同时感谢联邦经济事务和气候行动部与德国航空航天中心（DLR）的合作，为本项目提供资助（资助编号：50 RK 2306）。
