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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(ti) 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(ge) 在軌質量達百餘(yu) 噸重的空間站組合體(ti) ，其姿態控製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(wei) 你解答讓空間站“坐如鍾、行如風”的秘訣所在！

航天器姿態控製有“神器”？

控製力矩陀螺“顯身手”

航天器傳(chuan) 統的姿態控製辦法是通過RCS姿態控製動力係統（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(yu) 大型航天器的姿態控製。

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(hui) 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(ge) 能穩住它的強性能“神器”——控製力矩陀螺。它是航天器姿態控製的慣性執行部件，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姿控係統，它除了零燃料消耗的天然優(you) 勢，還有對航天器柔性部件幹擾最小化的優(you) 勢，對於(yu) 大型空間站而言，更是不可或缺的核心技術裝備。

⬆️控製力矩陀螺

曾是技術發展“攔路虎”！

如今自力更生，自主“智”造

萬(wan) 裏穿針，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……控製力矩陀螺的技術攻關(guan) 和產(chan) 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，控製力矩陀螺作為(wei) “重器”被提了出來，中國人確信“核心技術是買(mai) 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）控製力矩陀螺。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(wei) 我國空間機電部件發展的一個(ge) 裏程碑，也使我國成為(wei) 繼美俄後世界上第三個(ge) 掌握該技術的國家。

⬆️200Nms控製力矩陀螺

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的產(chan) 品，形成了滿足我國各類空間飛行器姿態機動與(yu) 姿態控製需求的全係列控製力矩陀螺產(chan) 品型譜。較第一代產(chan) 品，新研製的控製力矩陀螺具有精度高、響應快、壽命長、可靠性高等優(you) 點，可滿足我國當前各類空間飛行器的姿態控製要求。

空間站任務把控製力矩陀螺在中國航天器上的使用提升到了一個(ge) 新高度。其他航天器的控製力矩陀螺安裝在艙內(nei) ，工作環境較為(wei) 單一，而空間站上的控製力矩陀螺需要同時適應艙內(nei) 、艙外兩(liang) 種工作環境。由於(yu) 極大的溫差和真空度變化等因素，給產(chan) 品關(guan) 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(zhuan) 門的熱控設計，同時對艙內(nei) 產(chan) 品開展減振降噪工作，以符合艙內(nei) 噪聲指標要求。

⬆️空間站核心艙已安裝的6台大型控製力矩陀螺

作為(wei) 複雜的空間機電類產(chan) 品，控製力矩陀螺工作環境惡劣、壽命要求長，要求每分鍾數千轉連續工作多年，在軌發生故障的概率較大。因此，為(wei) 保證空間站的壽命與(yu) 可靠性，控製力矩陀螺還需具備在軌更換能力。

中國空間站使用的控製力矩陀螺是目前角動量最大的1500Nms，並采用了兩(liang) 艙“6+6”的配置。其中有6台已安裝在核心艙大柱段與(yu) 小柱段連接錐麵外壁上，另外6台則將安裝在問天實驗艙。這一配置正是組合體(ti) 係統級的先進之處，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製力矩陀螺

從(cong) “攔路虎”變成技術高峰，控製力矩陀螺係列產(chan) 品的研製與(yu) 應用顯著提升了我國空間飛行器的姿態機動與(yu) 姿態穩定控製能力，也推動了我國空間慣性執行機構的快速發展。多個(ge) 控製力矩陀螺的聯合使用，足以助力空間站“坐如鍾、行如風”，助力載人航天工程的穩步發展。

（中國空間技術研究院北京控製工程研究所）

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