天宫空间站为何挂6个圆球?不要燃料也能太空机动,全球仅三家有
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发布时间：2022-09-26 07:10
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时间：2023-10-20 01:47
当前，长征五号乙遥二运载火箭正在海南文昌发射场进行发射前各项准备工作，再有半个月时间天和一号核心舱将搭乘此枚火箭发射升空，届时它将踏上一段为期十至二十年的太空旅途。
天和一号核心舱是近十余年来人类发射的最大吨位航天器，发射质量约22吨，全长16.6米，最大直径4.2米，竖立起来足足有6层楼房高。
从外观上看，天和一号核心舱分为大柱段、小柱段、节点舱三部分，大柱段前缘与小柱段交接处有6个球形装置显得格外抢眼，这些究竟是什么装置，发挥的又是什么作用？
这还得从核心舱的本职工作谈起，核心舱是空间站的平台控制中枢，承担着空间站的制导导航、轨道控制、姿态控制、生命保障、航天员生活保障等任务，6个球形装置与空间站姿态控制任务密切相关。
天宫空间站一期工程包括天和一号核心舱、问天号实验舱、梦天号实验舱、神舟载人飞船、天舟货运飞船，以及临时停靠的巡天光学舱组成，在轨最大质量超过110吨，如此庞大的航天器组合体的姿态控制难度是以往我国任何一次航天任务都难以企及的。
百吨级空间站日常运行过程中会受到地球高层大气、太阳电磁辐射、引力场等多种因素影响，姿态会有所变化，而空间站搭载的诸多载荷都有特定的指向需求，尤其是大型太阳能电池有动态对日指向要求。
航天器传统的姿态控制办法是通过RCS喷气式姿控动力系统进行调姿，但此种办法效费比极低，一次较大幅度的调姿任务所消耗的燃料价值就高达数百万人民币，因为空间站燃料属于非常宝贵的消耗性资源，需要发射货运飞船进行上行补给。
天和一号核心舱大柱段前缘六个球形装置就是燃料零消耗条件下进行姿态控制的新手段，它们就是“控制力矩陀螺”。
控制力矩陀螺与动量轮是航天器姿态控制的惯性执行部件，后者通常应用于三轴稳定的中小型航天器，通过飞轮的加速与减速输出力矩，前者则在后者基础上增加了一个旋转轴，不仅飞轮高速旋转，“飞轮框架”也可旋转，进而输出数百倍于动量轮的力矩。
简而言之，配置控制力矩陀螺的航天器姿态控制能力更强，可以适应航天器的快速姿态控制需求，与动量轮一样它们消耗的是电能，因而可以实现零燃料消耗条件下的航天器姿态控制任务。
我国拉开控制力矩陀螺应用序幕的航天器是2011年9月29日发射入轨的天宫一号目标飞行器，它配置有6个200Nms（牛米每秒）力矩陀螺，该产品在神舟八号、神舟九号、神舟十号、神舟十一号、天舟一号五艘飞船前后总计十次交会对接任务中发挥了关键作用。
在天宫二号空间实验室与天舟一号货运飞船交会对接任务中200Nms变速控制力矩陀螺的表现更为优异，首先组合体规模较以往神舟飞船/天宫实验室组合体更大，超过了20吨，转动惯量超出50%，实施燃料在轨补加任务时干扰更大。
除此之外，天舟二号还针对天宫二号实施了绕飞试验，此任务需要天宫二号由倒飞转正飞快速调向，当时力矩陀螺就发挥了作用，全程没有动用RCS姿控动力。
控制力矩陀螺相较于RCS姿控动力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。
发展载人航天是利国利民的千年大计，然而每每谈起载人航天的作用时却是乏善可陈，随着太空应用技术日趋成熟，进而走进千家万户，这一刻板印象早就该扫进 历史 的垃圾堆。
例如，最先应用变速控制力矩陀螺的航天器是载人航天工程旗下天宫一号目标飞行器，尔后以此为基础衍生了一大批适应不同吨位量级的力矩陀螺产品，角动量范围覆盖0.1Nms到1500Nms。有服务中小卫星平台的5Nms力矩陀螺，也有动态响应快、力矩分辨率高的10Nms与25Nms力矩陀螺，还有服务大型航天器的1000Nms至1500Nms力矩陀螺。
以遥感卫星为代表的应用型航天器目前已经实现控制力矩陀螺的广泛应用，而这都要拜载人航天工程需求牵引产业升级所赐。
控制力矩陀螺的优势具体如下：
1.燃料零消耗，载人航天器运行成本显著降低，非载人应用型航天器寿命更长；
2.机动能力更强，载人航天任务适应性强，非载人应用型航天器应用空间更广泛；
3.高稳定性，对航天器柔性部件更友好。
天宫空间站的规模是空间实验室阶段的五至六倍，自然需要性能更强的大型控制力矩陀螺（由于当前我国有多个大型控制力矩陀螺方案，最终选择何种方案并没有明确的公开信息，因此后文以较成熟的1000Nms控制力矩陀螺为例撰写）。
大型控制力矩陀螺可以调整空间站姿态，在实施交会对接任务时为载人飞船提供便利，同时也能实施连续偏航机动使空间站太阳能电池板高效率对日指向。目前世界上能研制此类装备的国家不超过3个。
1000Nms控制力矩陀螺由“转子-框架”与“机架驱动-机座”两部分构成，工作时重10公斤的转子在框架内高速旋转，每分钟转速可达7000转，同时，“转子-框架”部分可整体按照给定速度旋转，进而高效输出力矩。
天宫一号与天宫二号两座空间实验室的力矩陀螺安装在非密封的资源舱内，而天宫空间站核心舱6部大型力矩陀螺则安装在舱体外表面，这是为什么呢？
力矩陀螺是空间站的主要活动部件，同时也是较大的噪声源之一，空间实验室阶段航天员在轨驻留最长时间不超过1个月，而空间站阶段航天员在轨驻留时间通常是半年，对噪声的控制就要格外重视。
例如，国际空间站星辰号服务舱的噪音就高达74db，航天员在此舱连续工作生活10天就会暂时失聪，而如果连续工作生活三个月就会永久失聪，可见噪声抑制的重要性。
天和一号核心舱将力矩陀螺安装在舱体外表面可以最大限度隔离噪声，该舱段各系统集成化程度比起国际空间站星辰号服务舱要高得多，意味着噪声源更多，但我们能够把航天员睡眠区全部设置在核心舱内，由此足见其优异的噪声抑制水平。
在空间站建设期间组合体会面临多种构型的姿态控制考验，问天实验舱与核心舱轴向对接时是一字形，问天实验舱与核心舱转位对接后则是L形，梦天实验舱与核心舱对接后又是T字形。
尤其是转位机械臂托举重达22吨的实验舱进行转位对接时，空间站组合体会产生巨大的转动惯量，而转位组装期间无法使用RCS姿控动力进行姿态稳定控制，不论是组合体转位对接，还是空间站稳定运行都离不开大型控制力矩陀螺。
大型控制力矩陀螺相较于天宫二号空间实验室的200Nms变速控制力矩陀螺性能提升了数倍以上，因而自身规模也发生了变化，单个陀螺仪重量达到了125公斤，在地面总装工作中这一重量远远超出了人力极限，如果采用传统吊装形式安装，则安装精度无法保证，恰恰力矩陀螺对安装精度历来要求严苛。
同时，6个力矩陀螺为了适应各自的力矩输出任务，设计了各不相同的安装位置。既要保证安装精度，又要适应复杂的安装位置，可谓是难上加难，因此科研人员专门设计了机器人精密装配系统。
该系统以500公斤承载力机械臂为主体，针对球形力矩陀螺专门设计了抓取工具，并将机器人系统与VR/AR信息系统相连，最终实现人在回路中的控制能力，机械臂基于人体感知力可以将球形力矩陀螺放进缝隙仅有3毫米的安装孔中。
天宫空间站力矩陀螺有6个，比国际空间站Z1桁架上的4个陀螺仪配置还多出2个，这是吸取了后者的运营经验教训，作为高速旋转的活动部件出现故障的概率也较高，国际空间站多次重大故障均与之相关，天宫更多的陀螺仪配置意味着冗余能力更强。
从在轨维修角度考虑，天宫空间站力矩陀螺外挂于舱体表面也有利于航天员出舱更换。
我国当前还在研制全球最大磁悬浮轴承1500Nms控制力矩陀螺，天宫空间站与国际空间站应用的力矩陀螺则都是机械式滚珠轴承。与后者相比，前者具有显著的转速高、输出力矩更大、无摩擦、长寿命等优势，属于跨代性质的技术进步，此技术路线未来还将在环月轨道载人空间站、大型空间太阳能电站等新一代超大型航天平台的建设中发挥关键作用。
航天级陀螺仪产品历来是国外严密封锁的高技术装备，然而以控制力矩陀螺为例，从打破封锁在轨应用到引领世界我们只用了不到十年时间。生动的实践证明走独立自主的 科技 强国之路会越走越顺畅，最终我们也必将到达一览众小的巅峰高地。
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时间：2023-09-28 00:50
当前，长征五号乙遥二运载火箭正在海南文昌发射场进行发射前各项准备工作，再有半个月时间天和一号核心舱将搭乘此枚火箭发射升空，届时它将踏上一段为期十至二十年的太空旅途。
天和一号核心舱是近十余年来人类发射的最大吨位航天器，发射质量约22吨，全长16.6米，最大直径4.2米，竖立起来足足有6层楼房高。
从外观上看，天和一号核心舱分为大柱段、小柱段、节点舱三部分，大柱段前缘与小柱段交接处有6个球形装置显得格外抢眼，这些究竟是什么装置，发挥的又是什么作用？
这还得从核心舱的本职工作谈起，核心舱是空间站的平台控制中枢，承担着空间站的制导导航、轨道控制、姿态控制、生命保障、航天员生活保障等任务，6个球形装置与空间站姿态控制任务密切相关。
天宫空间站一期工程包括天和一号核心舱、问天号实验舱、梦天号实验舱、神舟载人飞船、天舟货运飞船，以及临时停靠的巡天光学舱组成，在轨最大质量超过110吨，如此庞大的航天器组合体的姿态控制难度是以往我国任何一次航天任务都难以企及的。
百吨级空间站日常运行过程中会受到地球高层大气、太阳电磁辐射、引力场等多种因素影响，姿态会有所变化，而空间站搭载的诸多载荷都有特定的指向需求，尤其是大型太阳能电池有动态对日指向要求。
航天器传统的姿态控制办法是通过RCS喷气式姿控动力系统进行调姿，但此种办法效费比极低，一次较大幅度的调姿任务所消耗的燃料价值就高达数百万人民币，因为空间站燃料属于非常宝贵的消耗性资源，需要发射货运飞船进行上行补给。
天和一号核心舱大柱段前缘六个球形装置就是燃料零消耗条件下进行姿态控制的新手段，它们就是“控制力矩陀螺”。
控制力矩陀螺与动量轮是航天器姿态控制的惯性执行部件，后者通常应用于三轴稳定的中小型航天器，通过飞轮的加速与减速输出力矩，前者则在后者基础上增加了一个旋转轴，不仅飞轮高速旋转，“飞轮框架”也可旋转，进而输出数百倍于动量轮的力矩。
简而言之，配置控制力矩陀螺的航天器姿态控制能力更强，可以适应航天器的快速姿态控制需求，与动量轮一样它们消耗的是电能，因而可以实现零燃料消耗条件下的航天器姿态控制任务。
我国拉开控制力矩陀螺应用序幕的航天器是2011年9月29日发射入轨的天宫一号目标飞行器，它配置有6个200Nms（牛米每秒）力矩陀螺，该产品在神舟八号、神舟九号、神舟十号、神舟十一号、天舟一号五艘飞船前后总计十次交会对接任务中发挥了关键作用。
在天宫二号空间实验室与天舟一号货运飞船交会对接任务中200Nms变速控制力矩陀螺的表现更为优异，首先组合体规模较以往神舟飞船/天宫实验室组合体更大，超过了20吨，转动惯量超出50%，实施燃料在轨补加任务时干扰更大。
除此之外，天舟二号还针对天宫二号实施了绕飞试验，此任务需要天宫二号由倒飞转正飞快速调向，当时力矩陀螺就发挥了作用，全程没有动用RCS姿控动力。
控制力矩陀螺相较于RCS姿控动力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。
发展载人航天是利国利民的千年大计，然而每每谈起载人航天的作用时却是乏善可陈，随着太空应用技术日趋成熟，进而走进千家万户，这一刻板印象早就该扫进 历史 的垃圾堆。
例如，最先应用变速控制力矩陀螺的航天器是载人航天工程旗下天宫一号目标飞行器，尔后以此为基础衍生了一大批适应不同吨位量级的力矩陀螺产品，角动量范围覆盖0.1Nms到1500Nms。有服务中小卫星平台的5Nms力矩陀螺，也有动态响应快、力矩分辨率高的10Nms与25Nms力矩陀螺，还有服务大型航天器的1000Nms至1500Nms力矩陀螺。
以遥感卫星为代表的应用型航天器目前已经实现控制力矩陀螺的广泛应用，而这都要拜载人航天工程需求牵引产业升级所赐。
控制力矩陀螺的优势具体如下：
1.燃料零消耗，载人航天器运行成本显著降低，非载人应用型航天器寿命更长；
2.机动能力更强，载人航天任务适应性强，非载人应用型航天器应用空间更广泛；
3.高稳定性，对航天器柔性部件更友好。
天宫空间站的规模是空间实验室阶段的五至六倍，自然需要性能更强的大型控制力矩陀螺（由于当前我国有多个大型控制力矩陀螺方案，最终选择何种方案并没有明确的公开信息，因此后文以较成熟的1000Nms控制力矩陀螺为例撰写）。
大型控制力矩陀螺可以调整空间站姿态，在实施交会对接任务时为载人飞船提供便利，同时也能实施连续偏航机动使空间站太阳能电池板高效率对日指向。目前世界上能研制此类装备的国家不超过3个。
1000Nms控制力矩陀螺由“转子-框架”与“机架驱动-机座”两部分构成，工作时重10公斤的转子在框架内高速旋转，每分钟转速可达7000转，同时，“转子-框架”部分可整体按照给定速度旋转，进而高效输出力矩。
天宫一号与天宫二号两座空间实验室的力矩陀螺安装在非密封的资源舱内，而天宫空间站核心舱6部大型力矩陀螺则安装在舱体外表面，这是为什么呢？
力矩陀螺是空间站的主要活动部件，同时也是较大的噪声源之一，空间实验室阶段航天员在轨驻留最长时间不超过1个月，而空间站阶段航天员在轨驻留时间通常是半年，对噪声的控制就要格外重视。
例如，国际空间站星辰号服务舱的噪音就高达74db，航天员在此舱连续工作生活10天就会暂时失聪，而如果连续工作生活三个月就会永久失聪，可见噪声抑制的重要性。
天和一号核心舱将力矩陀螺安装在舱体外表面可以最大限度隔离噪声，该舱段各系统集成化程度比起国际空间站星辰号服务舱要高得多，意味着噪声源更多，但我们能够把航天员睡眠区全部设置在核心舱内，由此足见其优异的噪声抑制水平。
在空间站建设期间组合体会面临多种构型的姿态控制考验，问天实验舱与核心舱轴向对接时是一字形，问天实验舱与核心舱转位对接后则是L形，梦天实验舱与核心舱对接后又是T字形。
尤其是转位机械臂托举重达22吨的实验舱进行转位对接时，空间站组合体会产生巨大的转动惯量，而转位组装期间无法使用RCS姿控动力进行姿态稳定控制，不论是组合体转位对接，还是空间站稳定运行都离不开大型控制力矩陀螺。
大型控制力矩陀螺相较于天宫二号空间实验室的200Nms变速控制力矩陀螺性能提升了数倍以上，因而自身规模也发生了变化，单个陀螺仪重量达到了125公斤，在地面总装工作中这一重量远远超出了人力极限，如果采用传统吊装形式安装，则安装精度无法保证，恰恰力矩陀螺对安装精度历来要求严苛。
同时，6个力矩陀螺为了适应各自的力矩输出任务，设计了各不相同的安装位置。既要保证安装精度，又要适应复杂的安装位置，可谓是难上加难，因此科研人员专门设计了机器人精密装配系统。
该系统以500公斤承载力机械臂为主体，针对球形力矩陀螺专门设计了抓取工具，并将机器人系统与VR/AR信息系统相连，最终实现人在回路中的控制能力，机械臂基于人体感知力可以将球形力矩陀螺放进缝隙仅有3毫米的安装孔中。
天宫空间站力矩陀螺有6个，比国际空间站Z1桁架上的4个陀螺仪配置还多出2个，这是吸取了后者的运营经验教训，作为高速旋转的活动部件出现故障的概率也较高，国际空间站多次重大故障均与之相关，天宫更多的陀螺仪配置意味着冗余能力更强。
从在轨维修角度考虑，天宫空间站力矩陀螺外挂于舱体表面也有利于航天员出舱更换。
我国当前还在研制全球最大磁悬浮轴承1500Nms控制力矩陀螺，天宫空间站与国际空间站应用的力矩陀螺则都是机械式滚珠轴承。与后者相比，前者具有显著的转速高、输出力矩更大、无摩擦、长寿命等优势，属于跨代性质的技术进步，此技术路线未来还将在环月轨道载人空间站、大型空间太阳能电站等新一代超大型航天平台的建设中发挥关键作用。
航天级陀螺仪产品历来是国外严密封锁的高技术装备，然而以控制力矩陀螺为例，从打破封锁在轨应用到引领世界我们只用了不到十年时间。生动的实践证明走独立自主的 科技 强国之路会越走越顺畅，最终我们也必将到达一览众小的巅峰高地。
