控制力矩陀螺(CMG),是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一,主要由轉(zhuǎn)子、框架構(gòu)成。在工作時(shí),轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)提供角動(dòng)量,框架旋轉(zhuǎn)改變角動(dòng)量矢量方向,產(chǎn)生控制力矩。當(dāng)航天器軸向旋轉(zhuǎn)時(shí),控制力矩陀螺與航天器進(jìn)行角動(dòng)量交換,輸出控制力矩,以控制航天姿態(tài)。
航天器在軌道上運(yùn)行時(shí),會(huì)根據(jù)需要對姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整;同時(shí),受天體引力等多重因素影響,航天器姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化。為維持航天姿態(tài)或者對姿態(tài)進(jìn)行微調(diào),姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不可或缺。常見的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是推力器、飛輪。
控制力矩陀螺與推力器相比,前者原理為動(dòng)量交換,后者原理為質(zhì)量噴射。推力器工作需要消耗推進(jìn)劑來改變力矩,傳統(tǒng)方式是采用反推力系統(tǒng)(RCS),運(yùn)用噴射裝置提供反推力,以調(diào)整或改變航天器姿態(tài)。通常情況下,航天器需要頻繁調(diào)整姿態(tài),因此推進(jìn)劑消耗量大,而航天器攜帶的推進(jìn)劑有限,這就需要定期發(fā)射火箭進(jìn)行補(bǔ)給,因此推力器使用成本高?刂屏赝勇轃o需消耗推進(jìn)劑,成本優(yōu)勢明顯。
控制力矩陀螺與飛輪相比,二者同為慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu),以角動(dòng)量交換來控制航天器姿態(tài)。飛輪通過改變轉(zhuǎn)子角動(dòng)量的大小來產(chǎn)生合適的控制力矩,實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)調(diào)整,但其輸出力矩小,無法滿足大型航天器姿態(tài)調(diào)整需求。控制力矩陀螺通過框架旋轉(zhuǎn)改變轉(zhuǎn)子角動(dòng)量方向來產(chǎn)生控制力矩,輸出力矩大小可調(diào)節(jié),能夠滿足大型航天器到小型航天器的姿態(tài)控制要求。
空間站是大型航天器,控制力矩陀螺應(yīng)用優(yōu)勢突出。在國際空間站上,配置了4個(gè)控制力矩陀螺,在中國天宮空間站上,配置了6個(gè)控制力矩陀螺。空間站長期運(yùn)行,自身重量龐大,外部環(huán)境復(fù)雜,控制力矩陀螺在載荷承受能力、環(huán)境適應(yīng)性、性能穩(wěn)定性、使用壽命等方面要求高,設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造難度大。
我國是全球第三個(gè)具備控制力矩陀螺研制能力的國家,最早在軌應(yīng)用的是200牛米秒控制力矩陀螺,搭載于我國第一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室“天宮一號(hào)”。現(xiàn)階段,我國控制力矩陀螺產(chǎn)品角動(dòng)量覆蓋范圍寬,小到0.1牛米秒,大到1500牛米秒,且精度、響應(yīng)速度、可靠性等性能優(yōu)良,除了可以應(yīng)用在空間站上,還可以應(yīng)用于衛(wèi)星上,能夠滿足大中小型不同航天器需求。