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7月24日，問(wèn)天實(shí)驗艙在文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射。問(wèn)天入列后，當前空間站組合體由天和核心艙、問(wèn)天實(shí)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(mèng)天實(shí)驗艙、天舟五號、神舟十五號接續造訪(fǎng)。這個(gè)在軌質(zhì)量達百余噸重的空間站組合體，其姿態(tài)控制難度是我國航天飛行任務(wù)中史無(wú)前例的?！皢?wèn)天之問(wèn)”第六話(huà)，為你解答讓空間站“坐如鐘、行如風(fēng)”的秘訣所在！

航天器姿態(tài)控制有“神器”？

控制力矩陀螺“顯身手”

航天器傳統的姿態(tài)控制辦法是通過(guò)RCS姿態(tài)控制動(dòng)力系統（Reaction control system）進(jìn)行姿態(tài)調整，需上行并消耗大量推進(jìn)劑，效費比極低，不適用于大型航天器的姿態(tài)控制。

空間站在日常運行過(guò)程中，其姿態(tài)受地球高層大氣、太陽(yáng)電磁輻射、引力場(chǎng)等多種因素影響會(huì )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(yáng)翼有動(dòng)態(tài)對日定向要求。

??空間站大型柔性太陽(yáng)翼

因此，空間站的穩定運行需要一個(gè)能穩住它的強性能“神器”——控制力矩陀螺。它是航天器姿態(tài)控制的慣性執行部件，通過(guò)高速旋轉的飛輪獲得角動(dòng)量，并通過(guò)改變角動(dòng)量的方向來(lái)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(yōu)勢，還有對航天器柔性部件干擾最小化的優(yōu)勢，對于大型空間站而言，更是不可或缺的核心技術(shù)裝備。

??控制力矩陀螺

曾是技術(shù)發(fā)展“攔路虎”！

如今自力更生，自主“智”造

萬(wàn)里穿針，沒(méi)有它不行；建設空間站，沒(méi)有它不行；發(fā)展快速機動(dòng)航天器，沒(méi)有它不行……控制力矩陀螺的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研發(fā)曾是中國空間技術(shù)發(fā)展遭遇的“攔路虎”。1991年，我國開(kāi)始論證空間實(shí)驗室和空間站項目，控制力矩陀螺作為“重器”被提了出來(lái)，中國人確信“核心技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)的”，所以在論證伊始便堅定選擇了自力更生。

我國第一臺上天的是200Nms（牛米秒）控制力矩陀螺。2011年成功發(fā)射入軌的天宮一號上配置了6臺這樣的力矩陀螺，其在軌應用成為我國空間機電部件發(fā)展的一個(gè)里程碑，也使我國成為繼美俄后世界上第三個(gè)掌握該技術(shù)的國家。

??200Nms控制力矩陀螺

自天宮一號后，科研團隊陸續研發(fā)出了角動(dòng)量范圍覆蓋0.1Nms到1500Nms的產(chǎn)品，形成了滿(mǎn)足我國各類(lèi)空間飛行器姿態(tài)機動(dòng)與姿態(tài)控制需求的全系列控制力矩陀螺產(chǎn)品型譜。較第一代產(chǎn)品，新研制的控制力矩陀螺具有精度高、響應快、壽命長(cháng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足我國當前各類(lèi)空間飛行器的姿態(tài)控制要求。

空間站任務(wù)把控制力矩陀螺在中國航天器上的使用提升到了一個(gè)新高度。其他航天器的控制力矩陀螺安裝在艙內，工作環(huán)境較為單一，而空間站上的控制力矩陀螺需要同時(shí)適應艙內、艙外兩種工作環(huán)境。由于極大的溫差和真空度變化等因素，給產(chǎn)品關(guān)鍵部位潤滑和整機散熱問(wèn)題帶來(lái)了很大挑戰，特別是針對艙外200多度的溫差，研制人員必須進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的熱控設計，同時(shí)對艙內產(chǎn)品開(kāi)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臺大型控制力矩陀螺

作為復雜的空間機電類(lèi)產(chǎn)品，控制力矩陀螺工作環(huán)境惡劣、壽命要求長(cháng)，要求每分鐘數千轉連續工作多年，在軌發(fā)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(dòng)量最大的1500Nms，并采用了兩艙“6+6”的配置。其中有6臺已安裝在核心艙大柱段與小柱段連接錐面外壁上，另外6臺則將安裝在問(wèn)天實(shí)驗艙。這一配置正是組合體系統級的先進(jìn)之處，可以融合使用，通過(guò)總網(wǎng)絡(luò )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(shù)高峰，控制力矩陀螺系列產(chǎn)品的研制與應用顯著(zhù)提升了我國空間飛行器的姿態(tài)機動(dòng)與姿態(tài)穩定控制能力，也推動(dòng)了我國空間慣性執行機構的快速發(fā)展。多個(gè)控制力矩陀螺的聯(lián)合使用，足以助力空間站“坐如鐘、行如風(fēng)”，助力載人航天工程的穩步發(fā)展。

（中國空間技術(shù)研究院北京控制工程研究所）

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