基于超导磁控与物理信息神经网络的无推进剂轨道机动系统

本文提出了一种革命性的无推进剂轨道机动系统(OMS),通过高温度超导(HTS)磁线圈、压电质量位移执行器和物理信息神经网络(PINNs)的协同集成,实现理论上无限的卫星寿命。基于专利申请“Propellantloses Orbitalmanovriersystem mit supraleitender Magnetfeldsteuerung und physics-informed neural network für autonome Satelliten”(DE 10 2025 002 893.8),本工作提供了该专利系统架构的全面技术分析、仿真验证和性能表征。 该系统通过智能地与自然力场(如地球磁层、太阳辐射压和引力梯度)相互作用,实现了亚毫角秒的姿态控制精度(<0.001°)和每年100米的delta-v能力,且无需消耗推进剂。该创新结合了(1)在77 K下工作的YBCO超导线圈,以Halbach阵列形式产生高达10,000 A·m²的磁偶极矩,(2)具有10 nm位移精度的PMN-PT压电执行器,用于内部动量交换,以及(3)一个包含八层、每层1024个神经元的深度神经网络,通过物理信息学习进行训练,以在多体环境中优化控制的同时遵守守恒定律(哈密顿力学、麦克斯韦和泊松方程)。 仿真结果表明,一个25 kg的微卫星在低地球轨道上仅消耗45 W功率,即可维持超过50年的三轴姿态,指向误差小于0.0008°,每年轨道修正100米。本工作为无推进剂航天器奠定了基础,对编队飞行、碎片规避和超出补给范围的长期任务具有变革性潜力。