航天器姿态控制有“神器” 大型对日定向装置首秀成功

　　7月24日，问天实验舱在文昌航天发射场成功发射。今年还将迎接梦天实验舱、天舟五号、神舟十五号接续造访。这个在轨质量达百余吨重的空间站组合体，其姿态控制难度是我国航天飞行任务中史无前例的。让空间站“坐如钟、行如风”的秘诀是什么?舱内重要设备所需要的电能如何解决?

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　　航天器姿态控制“神器”　控制力矩陀螺“显身手”

　　航天器传统的姿态控制办法是通过RCS姿态控制动力系统(Reaction　control　system)进行姿态调整，需上行并消耗大量推进剂，效费比极低，不适用于大型航天器的姿态控制。

　　空间站在日常运行过程中，其姿态受地球高层大气、太阳电磁辐射、引力场等多种因素影响会有所变化，搭载的多项载荷也都有特定的指向需求，尤其是大型柔性太阳翼有动态对日定向要求。

　　因此，空间站的稳定运行需要一个能稳住它的强性能“神器”——控制力矩陀螺。它是航天器姿态控制的惯性执行部件，通过高速旋转的飞轮获得角动量，并通过改变角动量的方向来对外输出力矩。相较RCS姿控系统，它除了零燃料消耗的天然优势，还有对航天器柔性部件干扰最小化的优势，对于大型空间站而言，更是不可或缺的核心技术装备。

　　万里穿针，没有它不行；建设空间站，没有它不行；发展快速机动航天器，没有它不行……控制力矩陀螺的技术攻关和产品研发曾是中国空间技术发展遭遇的“拦路虎”。1991年，我国开始论证空间实验室和空间站项目，控制力矩陀螺作为“重器”被提了出来，中国人确信“核心技术是买不来的”，所以在论证伊始便坚定选择了自力更生。

　　我国第一台上天的是200Nms(牛米秒)控制力矩陀螺。2011年成功发射入轨的天宫一号上配置了6台这样的力矩陀螺，其在轨应用成为我国空间机电部件发展的一个里程碑，也使我国成为继美俄后世界上第三个掌握该技术的国家。

　　自天宫一号后，科研团队陆续研发出了角动量范围覆盖0.1Nms到1500Nms的产品，形成了满足我国各类空间飞行器姿态机动与姿态控制需求的全系列控制力矩陀螺产品型谱。较第一代产品，新研制的控制力矩陀螺具有精度高、响应快、寿命长、可靠性高等优点，可满足我国当前各类空间飞行器的姿态控制要求。

　　空间站任务把控制力矩陀螺在中国航天器上的使用提升到了一个新高度。其他航天器的控制力矩陀螺安装在舱内，工作环境较为单一，而空间站上的控制力矩陀螺需要同时适应舱内、舱外两种工作环境。由于极大的温差和真空度变化等因素，给产品关键部位润滑和整机散热问题带来了很大挑战。特别是针对舱外200多℃的温差，研制人员必须进行专门的热控设计，同时对舱内产品开展减振降噪工作，以符合舱内噪声指标要求。

　　作为复杂的空间机电类产品，控制力矩陀螺工作环境恶劣、寿命要求长，要求每分钟数千转连续工作多年，在轨发生故障的概率较大。因此，为保证空间站的寿命与可靠性，控制力矩陀螺还需具备在轨更换能力。

　　中国空间站使用的控制力矩陀螺是目前角动量最大的1500Nms，并采用了两舱“6+6”的配置。其中有6台已安装在核心舱大柱段与小柱段连接锥面外壁上，另外6台则将安装在问天实验舱。这一配置正是组合体系统级的先进之处，可以融合使用，通过总网络按需重构。

　　从“拦路虎”变成技术高峰，控制力矩陀螺系列产品的研制与应用显著提升了我国空间飞行器的姿态机动与姿态稳定控制能力，也推动了我国空间惯性执行机构的快速发展。多个控制力矩陀螺的联合使用，足以助力空间站“坐如钟、行如风”，助力载人航天工程的稳步发展。

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　　空间站大型对日定向装置很吸睛

　　2022年7月28日，在问天实验舱发射4天后，随舱上行的我国首个大型对日定向装置正式登台亮相，成功完成一系列在轨性能测试，各项指标均表现优异，我国空间站成功实现双自由度对日定向。

　　什么是“对日定向装置”?简单来说，它主要负责驱动太阳翼转动以及舱内外能源的传输，是中国空间站工程立项初期最先提上日程的关键技术之一。未来空间站建造完成后，舱内各类科学仪器、有效载荷，包括维持航天员生命系统的重要设备所需要的电能，都要依赖大型对日定向装置从舱外向舱内进行高效可靠的传输。可以说，它是空间站名副其实的“能源卫士”。

　　劲头足，也要转得动

　　为了保障空间站的用电需求，问天实验舱上配置的大型柔性太阳翼单翼长度27米、有效发电面积约110平方米，可以保障空间站源源不断的能源输入。但驱动起这两副柔性太阳翼在太空中流畅“划圈”，让它们可以全天候接收到来自太阳光的照射，并非易事。如果想象我们单手拿一把27米长的“芭蕉扇”，并以手腕为圆心做360°旋转，这就需要我们的手腕具有很强的承重能力和转动力量。而实验舱上的对日定向装置就相当于我们的手腕，它需要带动太阳翼持续旋转、稳定对日。

　　空间站对日定向装置为整舱提供不竭能源，但长年驻守舱外所面临的空间环境会对大型转动类机构产生严酷考验。如何保证对日定向装置驱动太阳翼传动准确的同时又不会发生运动卡滞，这对研制团队而言是个巨大挑战。为此，研制团队开展头脑风暴、全新设计了一套国内首创的“分布式回转支撑驱动传动方案”，可以确保大导轨在高低温热胀冷缩产生变形的情况下，依然可以支撑驱动机构流畅转动，带动两个巨型太阳翼实时跟踪太阳。同时，团队还给对日定向装置加了一层“控温外套”，保障对日定向装置在长期的极端高低温外部环境下，始终处于适宜的温度范围。

　　效率高，也要传得快

　　我们日常生活中的用电，是通过发电厂庞大的电网系统输送到千家万户，而在太阳系中，太阳就是一个天然的“大型发电厂”。但如何将大型柔性翼产生的数万瓦级电能传输到空间站内，搭建起一条稳定高效的“能源生命线”，让空间站真正实现“用电无忧”?

　　通常来说，大部分航天器都采用传统的滑环导电传输方式。简单来说，滑环就是用于连通、传输能源的“旋转关节”，但因这种方式存在滑动磨损，因此一般适用于千瓦级传输功率的航天器；而空间站的功率传输需求是普通航天器的20多倍，设计寿命要求高，面对滑动磨损产生的巨大电能消耗，空间站表示“零容忍”!为此，研制团队首创了超大功率和超长寿命的滚环电传输机构，实现了国内首次以滚动替代滑动接触方式的大功率传输。为了验证滚环的高可靠、高效率、长寿命，研制团队在地面进行了20万圈的加速寿命试验考核，相当于等效在轨工作34年，以100%的产品可靠性确保空间站能源通路的高效畅通。

　　对得准，也得控得稳

　　空间站在轨飞行过程中，如何保持太阳翼时刻对准太阳?对日定向装置“肚子”里装有能实时采集太阳转动角度信息的旋转变压器，在接收到姿态控制系统下达的运动模式要求后，对日定向装置可以通过开展自主运动规划，精准调整自身状态，从而让太阳翼像“向日葵”一样实现稳定对日。

　　“除了对得准，更难的是如何将这么大、这么软的太阳翼控制平稳。”这是研制团队在设计时共同的考量和担心。太阳翼有效发电总面积约220平方米，整翼长55米，但却只有打印纸这么软，任何的轻微振动都能让它晃晃悠悠摆动。如果太阳翼转动不平稳，将导致空间站姿态控制出现困难。因此，“大柔性高稳定伺服控制系统”应运而生，这套为对日定向装置量身打造的控制方案，让太阳翼能够“长袖善舞”，实现对太阳的稳定跟踪控制。

　　更厉害的是，当太阳翼受到外界干扰而导致抖动时，对日定向装置的控制系统能非常灵敏地察觉，并进行“快速安抚”，就像“太极推手”一样化抖动于无形，在不到30秒的时间内，就能将太阳翼弹性振动能量及时耗散，给空间站“稳稳的幸福”。

　　综合中国载人航天微信公众号