用於衛星姿態控制模擬之球型氣浮平台設計與實作

Design and Implementation of a Spherical Air-Bearing Testbed for Satellite Attitude Control Simulation

(114級 吳沛宜)

摘要

本研究旨在建構一組氣浮平台以模擬近似太空環境之無摩擦情境,以作為未來應用在衛星姿態控制實驗之基礎設備。本論文首先介紹氣浮軸承之類型,以及比較各種節流元件之設計原理。接著在理論推導方面,基於薄膜平行板之假設,以流體力學推導Navier-Stokes方程式,建立氣膜內速度、流量、壓力分佈與承載力之數學關係,並使用Simulink建立系統動態模型,分析氣膜厚度、外部載重與供氣壓力間之平衡特性。在模擬驗證方面,採用ANSYS Fluent數值模擬工具進行流場分析,並以簡化模型探討不同氣膜厚度下之壓力分布及承載能力,進一步分析孔口數量、尺寸及噴射角度等設計參數對流場特性與承載性能之影響。在實作驗證部分,本研究完成氣浮平台之整體機構設計與精密加工製作,整合空壓機供氣系統,並以微處理器開發板為核心,透過C語言撰寫控制程式,搭配比例調壓閥作為致動元件,以實現供氣壓力之即時控制與調節,最終進行承載之實驗驗證。由模擬與實驗結果驗證,本研究所建構之氣浮平台可穩定承載高達90 kg之總重量,扣除配重後仍具約50 kg之有效承載能力,顯示其具備未來作為衛星姿態控制實驗平台之可行性。
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