专题 | “天宫”飞天的“定海神针” ——记“天宫二号”200Nms控制力矩陀螺

在《西游记》中，有一个大家耳熟能详的词：定海神针，它在作为孙悟空的武器之前，一直在海底保持着“惊涛骇浪”的整体平稳，这是作者吴承恩虚构出来的，然而在几百年后的今天，在“天宫二号”空间实验室上面却真实存在这么一个“定海神针”：控制力矩陀螺（Control Moment Gyros，简称CMG）。

什么是CMG？它是航天器姿态控制系统的执行装置，惯性执行部件的一种。CMG通过高速旋转的转子来获得一定的角动量，并通过改变角动量的方向来对外输出力矩。作为空间飞行器姿态机动与姿态稳定的控制部件，用于长寿命的三轴稳定卫星或空间站，实现对卫星或空间站姿态的控制。其中，由中国空间技术研究院下属北京控制工程研究所自主研发用于“天宫二号”上面的200NmsCMG输出力矩平稳、力矩分辨率高，在“天宫一号”任务时首次亮相，在服役期间姿态控制精度均优于设计指标，在轨工作稳定、表现优异。

目前，国际上常用的惯性执行部件主要是动量轮与控制力矩陀螺，CMG与飞轮相比，CMG输出力矩远大于飞轮的输出力矩，具有较高的能效比。而与喷气推力器相比，CMG既能提供大的控制力矩，又能精确、连续地输出力矩，并且不消耗燃料、不易激发星上柔性附件的振动。因此对于大型长寿命航天器来说，CMG即能实现快速姿态机动，又能实现姿态高稳定控制，是最为理想的姿态控制执行机构。没有CMG的话，卫星和空间站这类航天器的灵活性会差很多，调整变化的能力也会很小，而有了CMG，航天器的机动性就会大大增强。“定海神针”的美誉对CMG来说，可谓实至名归。

国外在控制力矩陀螺产品研制领域起步较早。美国和俄罗斯早在上个世纪50年代就开展了大型控制力矩陀螺的研制工作，并相继将研制的控制力矩陀螺成功地应用于“和平号”空间站、天空实验室和国际空间站等航天器上，而在中国，那时候CMG还只是相关学术领域的概念。

如果不发展就会成为我国航天事业发展的瓶颈，外国也会因此“卡我们的脖子”。1998年，北京控制工程研究所承担国家“200Nms单框架控制力矩陀螺原理样机研制”的预先研究课题，但在当时的技术条件下，承担该项目风险很大：CMG结构复杂，重量、体积大，力学设计、热设计难度高；转子转速高，需要突破转子动力学、高速轴承润滑、材料表面改性等相关技术难题，研发团队经过十几年的努力将难题逐步攻克。2011年“天宫一号”发射成功，各项遥测数据正常,标志着我国自主研制的CMG首次在轨应用成功,使我国首次具备了长寿命大型航天器的姿态控制能力与快速机动能力。

CMG的成功应用使中国成为世界上第三个掌握该技术的国家，也是我国空间机电执行部件发展的一个里程碑，同时拉开了中国在轨使用CMG产品的序幕，为中国建造自己的空间站提供了基础的控制部件。北京控制工程研究所GMC团队迅速研发出角动量范围覆盖0.1Nms~1500Nms的CMG产品与相应变速控制力矩陀螺，形成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CMG产品型谱。其中，5NmsCMG具有结构小、重量轻的优点，主要服务于小卫星平台；10Nms、25NmsCMG具有动态响应快、力矩分辨率高的优点，主要服务于中小卫星平台；70Nms~200NmsCMG具有输出力矩大、动态响应快的优点，主要服务于中型卫星平台；1000Nms~1500NmsCMG具有输出力矩大、可靠性高的优点，主要服务于大型卫星平台和空间站平台。

除了服役于“天宫一号”、“天宫二号”上面的200NmsCMG之外,25NmsCMG于2012年5月随遥感十四卫星发射入轨，在轨稳定运行已超过4年，其他规格CMG产品已进入型号研制阶段，将应用于我国各系列卫星平台。随着北京控制工程研究所全系列CMG产品的研制成功，必将开创我国后续各类卫星平台姿态控制和快速机动的新天地。