《Acta Astronautica》：Design and Performance Qualification of the Liquid Metal Based VEKTOR-FDA Technology Demonstrator for Satellite Attitude Control
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本研究针对小型卫星高精度姿态控制需求，设计并验证了一种基于液态金属的矢量流体动态执行器（VEKTOR-FDA）技术演示器。该执行器利用电磁（EM）泵驱动球形空腔内的高密度液态金属合金产生受控旋转，从而在完全无机械运动部件的条件下生成角动量与力矩。研究人员通过空
本研究针对小型卫星高精度姿态控制需求，设计并验证了一种基于液态金属的矢量流体动态执行器（VEKTOR-FDA）技术演示器。该执行器利用电磁（EM）泵驱动球形空腔内的高密度液态金属合金产生受控旋转，从而在完全无机械运动部件的条件下生成角动量与力矩。研究人员通过空气轴承平台和微重力抛物线飞行实验，系统表征了执行器沿三个正交主轴的角动量及扭矩性能，并对多自由度（MDOF）功能进行了统计量化验证。实验结果表明，技术演示器的平均角动量可达75 μNms，单轴扭矩约为200 μNm；在双轴机动中平均空间角误差小于5°，在三轴复杂机动中小于10°。该研究验证了通过球形空腔内流体流动叠加合成任意方向角动量矢量的功能假设，展示了VEKTOR-FDA作为紧凑型MDOF姿态控制执行器的可行性，并为其后续在轨演示（IOD）奠定了基础。
论文解读：VEKTOR-FDA技术演示器的功能与性能验证
一、研究背景与问题
随着低地球轨道（LEO）小型卫星任务复杂度的不断提升，姿态控制系统的精度、可靠性和紧凑性要求日益严格。传统反应轮（RW）等执行器依赖刚性质量的高速旋转，其结构包含电机、轴承和飞轮，在发射阶段易受极端振动和冲击载荷损伤，导致密封失效、润滑剂加速退化，并在运行中产生连续微振动和零交叉异常，严重制约指向精度与系统寿命。同时，传统三轴姿态控制需要至少三个正交安装的反应轮，不仅增加质量和体积，而且单轴机动时非工作轮成为寄生质量，降低系统效率。虽然多自由度（MDOF）反应球概念通过可自由旋转的球形质量提供三维力矩，但其磁悬浮或电磁驱动构型面临系统复杂度和微型化挑战。为此，德国研究团队提出了基于液态金属的VEKTOR-FDA（Vector Fluid Dynamic Actuator）执行器，利用电磁泵驱动球形空腔内的低熔点高密度液态金属合金旋转，泵内部无任何机械运动部件，从根本上消除了轴承磨损和润滑问题，并通过多泵协同实现任意方向角动量矢量合成。
二、研究目标与实验方法
本研究属于VEKTOR-FDA开发路线图中的第三阶段，旨在对集成技术演示器进行系统级验证。首要目标是量化执行器沿三轴可达到的角动量与扭矩，并评估其跨轴一致性；第二个目标是实验验证MDOF功能，即通过流体流动叠加实现角动量矢量方向控制的精度。研究人员采用空气轴承平台和微重力抛物线飞行两种试验环境。空气轴承平台提供近无摩擦旋转条件，结合变惯量法测量平台惯量，并通过实时角速度遥测计算角动量与扭矩。实验使用三台相同结构的技术演示器，每台每个主轴记录12组测量数据，其中一半附加已知惯量，最终基于108次独立测量进行统计评估。为验证MDOF功能，研究人员设计了机械地面支持设备（MGSE）适配器，使演示器本体固定轴相对平台旋转轴可进行360°设定，从而在单自由度台架上检验双泵叠加产生的矢量方向。同时，在第45次德国航空航天中心（DLR）抛物线飞行活动中，演示器以1U CubeSat自由飞行模型形式在微重力下验证完全无约束的三维矢量控制。
三、主要研究结果
（1）功能与性能表征：通过开环控制电磁泵功率，研究人员记录了沿X、Y、Z轴旋转速率随时间的变化。在40秒测试序列中，包含不同功率等级和方向反转。结果显示，演示器能够在约2秒内完成从顺时针到逆时针的转速反转，且加速与减速对称，证明动量交换过程低损耗。基于公式计算，技术演示器平均角动量为75 μNms，单轴扭矩约200 μNm。三台模型在各主轴的性能几乎一致，表明增材制造、系统集成和装配工艺具有高度可重复性。
（2）空气轴承条件下的MDOF功能验证：当X和Y泵以1:1对称功率同时工作时，产生的合成角动量矢量位于赤道平面，理论方位角为45°和225°。实验遥测中，Gyro X和Gyro Y测得的旋转速率高度一致，稳态旋转速率约为0.15 rad/s，证实矢量方向准确。由于质量惯量各向异性（I
X与I
Y差异约5%），系统表现出轻微章动，但幅值较小。在非对称功率比5:1试验中，理论方位角为79.4°，实验测量得到方位角为78.5°，偏差小于1°，验证了线性矢量叠加模型的高精度。当人为设置机械角度偏离理论方位角时，三个通道中Y、Z轴出现显著谐波振荡，章动幅值随失调角增大，进一步确证了只有在矢量对齐时才能实现稳定旋转。
（3）微重力条件下的MDOF功能验证：在抛物线飞行微重力阶段，自由飞行实验模块在无外力约束下执行多种泵组合序列。双轴操作（X+Y、Y+Z、X+Z）显示对应轴角速度同步增长，方向反转命令在1.5秒内完成。三轴操作中，7:3:3功率比产生与比例相符的角速度分量，而1:1:1对称操作验证了三维矢量叠加能力。统计所有测试序列，双轴机动的平均空间角误差小于5°，三轴机动平均角误差小于10°。偏差主要来源于飞行模块的惯性各向异性、释放初始角动量、残余加速度造成的安全网碰撞，以及各泵电源未同步调节导致的功率比漂移。
四、结论与展望
研究成功验证了VEKTOR-FDA技术演示器的MDOF功能假设，证明通过电磁泵驱动的正交液态金属流叠加，能够在球形空腔内精确合成三维角动量矢量。空气轴承与微重力实验数据高度一致，角误差处于可接受范围。性能对比显示，该执行器扭矩输出较BEESAT卫星采用的RW1 Type B反应轮提升约50倍，而功耗更低，且省去机械轴承与润滑系统。当前局限性包括：液态金属凝固温度限制深空应用；球形腔中心流体不参与动量存储，降低质量效率；整体球形体积缩放不如分布式反应轮灵活。未来研究需要开发集成式微型原位传感器，实现泵内有效电流与流速测量，从而构建精确闭环控制；还需进行长期寿命试验、零交叉动力学与微振动特性研究，以及振动冲击环境鉴定。这些工作将为VEKTOR-FDA的轨道演示（IOD）铺平道路。
