7月24日，問天實驗艙在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。問天入列后，當(dāng)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(xù)造訪。這個在軌質(zhì)量達(dá)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)中史無前例的。“問天之問”第六話，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”？

【資料圖】

控制力矩陀螺“顯身手”

航天器傳統(tǒng)的姿態(tài)控制辦法是通過RCS姿態(tài)控制動力系統(tǒng)（Reaction control system）進(jìn)行姿態(tài)調(diào)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程中，其姿態(tài)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(tài)對日定向要求。

空間站大型柔性太陽翼

因此，空間站的穩(wěn)定運行需要一個能穩(wěn)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(zhí)行部件，通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪獲得角動量，并通過改變角動量的方向來對外輸出力矩。相較RCS姿控系統(tǒng)，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

萬里穿針，沒有它不行；建設(shè)空間站，沒有它不行；發(fā)展快速機動航天器，沒有它不行……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(shù)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(yīng)用成為我國空間機電部件發(fā)展的一個里程碑，也使我國成為繼美俄后世界上第三個掌握該技術(shù)的國家。

200Nms控制力矩陀螺

自天宮一號后，科研團(tuán)隊陸續(xù)研發(fā)出了角動量范圍覆蓋0.1Nms到1500Nms的產(chǎn)品，形成了滿足我國各類空間飛行器姿態(tài)機動與姿態(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(yīng)快、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，可滿足我國當(dāng)前各類空間飛行器的姿態(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新高度。其他航天器的控制力矩陀螺安裝在艙內(nèi)，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適應(yīng)艙內(nèi)、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題帶來了很大挑戰(zhàn)，特別是針對艙外200多度的溫差，研制人員必須進(jìn)行專門的熱控設(shè)計，同時對艙內(nèi)產(chǎn)品開展減振降噪工作，以符合艙內(nèi)噪聲指標(biāo)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(fù)雜的空間機電類產(chǎn)品，控制力矩陀螺工作環(huán)境惡劣、壽命要求長，要求每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)連續(xù)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臺則將安裝在問天實驗艙。這一配置正是組合體系統(tǒng)級的先進(jìn)之處，可以融合使用，通過總網(wǎng)絡(luò)按需重構(gòu)。

神舟十四號航天員在軌設(shè)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(yīng)用顯著提升了我國空間飛行器的姿態(tài)機動與姿態(tài)穩(wěn)定控制能力，也推動了我國空間慣性執(zhí)行機構(gòu)的快速發(fā)展。多個控制力矩陀螺的聯(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(wěn)步發(fā)展。