問(wèn)天入列后，當(dāng)前空間站組合體由天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙、神舟十四號(hào)載人飛船和天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船組成，今年還將迎接夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙、天舟五號(hào)、神舟十五號(hào)接續(xù)造訪。這個(gè)在軌質(zhì)量達(dá)百余噸重的空間站組合體，其姿態(tài)控制難度可想而知?？臻g站能“坐如鐘、行如風(fēng)”的秘訣就在于航天科技集團(tuán)五院502所（以下簡(jiǎn)稱502所）研制的控制力矩陀螺。

控制力矩陀螺重達(dá)100多公斤，本次問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙上帶了四臺(tái)，之前天舟四號(hào)曾帶上去了一臺(tái)，后續(xù)還將再“捎”上去一臺(tái)，一共六臺(tái)將集中安裝在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙。

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(tǒng)的姿態(tài)控制辦法是通過(guò)RCS姿態(tài)控制動(dòng)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(fèi)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(yùn)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(xiàng)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(duì)日定向要求。

▲ 空間站大型柔性太陽(yáng)翼

因此，空間站的穩(wěn)定運(yùn)行需要一個(gè)能穩(wěn)住它的強(qiáng)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(guò)高速旋轉(zhuǎn)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(duì)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(shì)，還有對(duì)航天器柔性部件干擾最小化的優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(shè)空間站，沒(méi)有它不行；發(fā)展快速機(jī)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(guó)空間技術(shù)發(fā)展遭遇的“攔路虎”。

1991年，我國(guó)開(kāi)始論證空間實(shí)驗(yàn)室和空間站項(xiàng)目，控制力矩陀螺作為“重器”被提了出來(lái)，中國(guó)人確信“核心技術(shù)是買不來(lái)的”，在論證伊始便堅(jiān)定選擇了自力更生。

如果從1998年在國(guó)家863計(jì)劃支持下開(kāi)展預(yù)先研究算起，至2021年空間站用控制力矩陀螺首次在軌成功應(yīng)用，我國(guó)的控制力矩陀螺研制一共花了23年，經(jīng)歷了3代人。

我國(guó)第一臺(tái)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(hào)上配置了6臺(tái)這樣的力矩陀螺，其在軌應(yīng)用成為我國(guó)空間機(jī)電部件發(fā)展的一個(gè)里程碑，也使我國(guó)成為繼美俄后世界上第三個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家。

▲ 200Nms控制力矩陀螺

自天宮一號(hào)后，科研團(tuán)隊(duì)陸續(xù)研發(fā)出了角動(dòng)量范圍覆蓋0.1Nms到1500Nms的產(chǎn)品，形成了滿足我國(guó)各類空間飛行器姿態(tài)機(jī)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(yīng)快、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足我國(guó)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(guó)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(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(shí)適應(yīng)艙內(nèi)、艙外兩種工作環(huán)境。極大的溫差和真空度變化等因素給產(chǎn)品關(guān)鍵部位潤(rùn)滑和整機(jī)散熱問(wèn)題帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，特別是針對(duì)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(jì)，同時(shí)對(duì)艙內(nèi)產(chǎn)品開(kāi)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(tái)大型控制力矩陀螺

作為復(fù)雜的空間機(jī)電類產(chǎn)品，控制力矩陀螺工作環(huán)境惡劣、壽命要求長(zhǎng)，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(guó)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(tái)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(tái)則將安裝在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙。這一配置正是組合體系統(tǒng)級(jí)的先進(jìn)之處，可以融合使用，通過(guò)總網(wǎng)絡(luò)按需重構(gòu)。

▲ 神舟十四號(hào)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(guó)空間飛行器的姿態(tài)機(jī)動(dòng)與姿態(tài)穩(wěn)定控制能力，也推動(dòng)了我國(guó)空間慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(wěn)步發(fā)展。