姿態控制有“神器”！ 讓空間站“坐如鐘、行如風”的秘訣是什麼？

7月24日，問天實驗艙在文昌航天發射場成功發射。問天入列後，當前空間站組合體由天和核心艙、問天實驗艙、神舟十四號載人飛船和天舟四號貨運飛船組成，今年還將迎接夢天實驗艙、天舟五號、神舟十五號接續造訪。這個在軌質量達百餘噸重的空間站組合體，其姿態控制難度是我國航天飛行任務中史無前例的。“問天之問”第六話，為你解答讓空間站“坐如鐘、行如風”的秘訣所在！

航天器姿態控制有“神器”？

控制力矩陀螺“顯身手”

航天器傳統的姿態控制辦法是通過RCS姿態控制動力系統（Reaction control system）進行姿態調整，需上行並消耗大量推進劑，效費比極低，不適用於大型航天器的姿態控制。

空間站在日常運行過程中，其姿態受地球高層大氣、太陽電磁輻射、引力場等多種因素影響會有所變化，搭載的多項載荷也都有特定的指向需求，尤其是大型柔性太陽翼有動態對日定向要求。

△空間站大型柔性太陽翼

因此，空間站的穩定運行需要一個能穩住它的強性能“神器”——控制力矩陀螺。它是航天器姿態控制的慣性執行部件，通過高速旋轉的飛輪獲得角動量，並通過改變角動量的方向來對外輸出力矩。相較RCS姿控系統，它除了零燃料消耗的天然優勢，還有對航天器柔性部件干擾最小化的優勢，對於大型空間站而言，更是不可或缺的核心技術裝備。

△控制力矩陀螺

曾是技術發展“攔路虎”！

如今自力更生，自主“智”造

萬里穿針，沒有它不行；建設空間站，沒有它不行；發展快速機動航天器，沒有它不行……控制力矩陀螺的技術攻關和産品研發曾是中國空間技術發展遭遇的“攔路虎”。1991年，我國開始論證空間實驗室和空間站項目，控制力矩陀螺作為“重器”被提了出來，中國人確信“核心技術是買不來的”，所以在論證伊始便堅定選擇了自力更生。

我國第一台上天的是200Nms（牛·米秒）控制力矩陀螺。2011年成功發射入軌的天宮一號上配置了6台這樣的力矩陀螺，其在軌應用成為我國空間機電部件發展的一個里程碑，也使我國成為繼美俄後世界上第三個掌握該技術的國家。

△200Nms控制力矩陀螺

自天宮一號後，科研團隊陸續研發出了角動量範圍覆蓋0.1Nms到1500Nms的産品，形成了滿足我國各類空間飛行器姿態機動與姿態控制需求的全系列控制力矩陀螺産品型譜。較第一代産品，新研製的控制力矩陀螺具有精度高、響應快、壽命長、可靠性高等優點，可滿足我國當前各類空間飛行器的姿態控制要求。

空間站任務把控制力矩陀螺在中國航天器上的使用提升到了一個新高度。其他航天器的控制力矩陀螺安裝在艙內，工作環境較為單一，而空間站上的控制力矩陀螺需要同時適應艙內、艙外兩種工作環境。由於極大的溫差和真空度變化等因素，給産品關鍵部位潤滑和整機散熱問題帶來了很大挑戰，特別是針對艙外200多度的溫差，研製人員必須進行專門的熱控設計，同時對艙內産品開展減振降噪工作，以符合艙內噪聲指標要求。

△空間站核心艙已安裝的6台大型控制力矩陀螺

作為複雜的空間機電類産品，控制力矩陀螺工作環境惡劣、壽命要求長，要求每分鐘數千轉連續工作多年，在軌發生故障的概率較大。因此，為保證空間站的壽命與可靠性，控制力矩陀螺還需具備在軌更換能力。

中國空間站使用的控制力矩陀螺是目前角動量最大的1500Nms，並採用了兩艙“6+6”的配置。其中有6台已安裝在核心艙大柱段與小柱段連接錐面外壁上，另外6台則將安裝在問天實驗艙。這一配置正是組合體系統級的先進之處，可以融合使用，通過總網絡按需重構。

△神舟十四號航天員在軌設置控制力矩陀螺

從“攔路虎”變成技術高峰，控制力矩陀螺系列産品的研製與應用顯著提升了我國空間飛行器的姿態機動與姿態穩定控制能力，也推動了我國空間慣性執行機構的快速發展。多個控制力矩陀螺的聯合使用，足以助力空間站“坐如鐘、行如風”，助力載人航天工程的穩步發展。（中國載人航天）