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中国空间站是如何做到“坐如钟、行如风”?

2022-08-09 03:16:11 来源:广西新闻网-广西日报 作者:周如雨 刘悦 编辑:尹茗聪

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  原标题:问天之问(六) 让空间站“坐如钟、行如风”的秘诀是什么?

  7月24日,问天实验舱在文昌航天发射场乐成发射。“问天”入列后,当前空间站组合体由天和焦点舱、问天实验舱、神舟十四号载人飞船和天舟四号货运飞船组成,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航行任务中史无前例的。“问天之问”第六话,为你解答让空间站“坐如钟、行如风”的秘诀所在!

  航天器姿态控制有“神器”?

  控制力矩陀螺“显身手”

  航天器传统的姿态控制措施是通过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。

  空间站在日常运行历程中,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。

空间站大型柔性太阳翼

  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偏向来对外输着力矩。相较RCS姿控系统,它除了零燃料消耗的天然优势,另有对航天器柔性部件滋扰最小化的优势,对于大型空间站而言,更是不行或缺的焦点技术装备。

控制力矩陀螺

  曾是技术生长“拦路虎”!

  如今自力重生,自主“智”造

  万里穿针,没有它不行;建设空间站,没有它不行;生长快速机动航天器,没有它不行……控制力矩陀螺的技术攻关和产物研发曾是中国空间技术生长遭遇的“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“焦点技术是买不来的”,所以在论证伊始便坚定选择了自力重生。

  我国第一台上天的是200Nms(牛·米秒)控制力矩陀螺。2011年乐成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生长的一个里程碑,也使我国成为继美俄后世界上第三个掌握该技术的国家。

200Nms控制力矩陀螺

  自天宫一号后,科研团队陆续研发出了角动量规模笼罩0.1Nms到1500Nms的产物,形成了满足我国种种空间航行器姿态机动与姿态控制需求的全系列控制力矩陀螺产物型谱。较第一代产物,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,可满足我国当前种种空间航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,事情情况较为单一,而空间站上的控制力矩陀螺需要同时适应舱内、舱外两种事情情况。由于极大的温差和真空度变化等因素,给产物要害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多度的温差,研制人员必须进行专门的热控设计,同时对舱内产物开展减振降噪事情,以切合舱内噪声指标要求。

空间站焦点舱已安装的6台大型控制力矩陀螺

  作为庞大的空间机电类产物,控制力矩陀螺事情情况恶劣、寿命要求长,要求每分钟数千转连续事情多年,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,并接纳了两舱“6+6”的配置。其中有6台已安装在焦点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。

神舟十四号航天员在轨设置控制力矩陀螺

  从“拦路虎”酿成技术岑岭,控制力矩陀螺系列产物的研制与应用显著提升了我国空间航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生长。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生长。

【纠错】 【责任编辑:王雪 】

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