作者:袁一雪 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/10/13 22:42:54
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控制力矩陀螺:天宫二号的“定海神针”

 

10月11日,中国航天科技集团五院502所迎来建所60周年纪念。似是迎接这一重要的历史时刻,9月15日发射的天宫二号,携带着502所研发的多台200Nms控制力矩陀螺产品遨游太空。该产品被喻为天宫二号的“定海神针”。

“定海神针”的典故出自《西游记》,传闻当年大禹治水时,为测江河深浅,取一铁棒,可随心长短,入江河湖海,深浅立现。水患平定后,大禹将此铁丢入大海,取意海河永固;后被东海龙君所得,供奉起来,称为“定海神珍铁”。

那么,200Nms控制力矩陀螺对于“天宫二号”来说到底有多重要呢?

小设备大作用

200Nms控制力矩陀螺属于控制力矩陀螺的一种,后者英文缩写为CMG(以下简称CMG)。CMG是航天器在太空调整姿态的执行部件,通过高速旋转的轮子来获得角动量,并通过改变角动量的方向来对外输出力矩。在物理学中,角动量是和物体到原点的位移和动量相关的物理量,用来描述物体转动的状态。

在角动量守恒定律中,运动物体如果受到的合外力为零或不受外力作用时,则物体动量的大小和方向都保持不变。但是一旦这种平衡受到破坏,那么物体的转动速度就会加快。而CMG存在的意义,就是保持微妙的力的平衡。

“CMG问世之前,卫星和空间站等航天器一般通过飞轮和自控发动机实现航天器的姿态稳定控制与姿态机动。”502所产品设计工程师李刚在接受《中国科学报》记者采访时回忆道,“不过这两者都存在不足,通过飞轮实现航天器的姿态稳定控制时,航天器的姿态机动速度一般小于0.1度/秒;而如果通过姿控发动实现航天器的姿态机动时,则会消耗燃料,也就是推进剂,进而影响航天器的在轨寿命。推进剂耗尽后,航天器寿命终结。”

CMG的出现则弥补了这些缺陷,它既能实现姿态机动控制,姿态机动速度达到几度每秒甚至十几度每秒,而且不消耗燃料,保证航天器的在轨寿命。“以人为例,飞轮和CMG是人的肌肉系统,根据大脑的控制,调解人体的平衡的转向,飞轮的调控力度与范围小、响应慢;CMG的调控力度与范围大、响应快。”李刚打了个比方。没有CMG,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。

而搭乘天宫二号的200Nms CMG则是为其量身定制的,以不到50公斤的小小身躯,稳住重量为8吨的天宫二号,甚至让重达16吨的天宫与神舟的组合体在太空按照所要求的姿势运行。

自主智造

关于CMG的研究,国外的研究起步较早。早在上世纪50年代,美国和前苏联就开展了大型CMG的研制工作,并相继将研制成功的设备投入到和平号空间站、天空实验室和国际空间站等航天器的使用中。但在中国,那时候CMG还只是相关学术领域的概念,距离应用相差甚远。

502所的科研人员经过十几年的努力攻克了我国航天事业发展的这一瓶颈,终于成功打破技术壁垒,在天宫二号上应用我国自主研发的CMG产品。回忆起开发过程,李刚提到了作为结构异常复杂、研制难度很高的空间机电部件,200Nms单框架控制力矩陀螺的研制过程中突破了多项关键技术。

首先,控制力矩陀螺整机设计技术的研发成功,让502所的研究人员首次掌握了高精度、大转动惯量、复杂结构空间执行部件的整机设计技术。其次,研究人员还首次实现了大型空间执行机构的产品研制、功能和性能验证、系统应用策略。第三,CMG的成功诞生,让我国首次在空间惯性执行部件上实现了高转速(9500r/min)、大转动惯量的长寿命转子轴系,并且实现了额定转速(9500r/min)下高速转子的精密动平衡,动平衡等级达到GO.4级(国际最高级)。此外,研究人员还应用数字控制技术实现了高精度高稳定度控制技术,应用效果良好。

“200Nms控制力矩陀螺是我国首次在轨应用的CMG产品,是我国成为继美俄以后第三个在轨成功应用CMG的国家。”李刚补充道,“而且,200Nms控制力拒陀螺优势多多,其能效比高,能连续、精确输出力矩,且不消耗燃料,不易引起震动等。”

CMG家族

除了200Nms,502所CMG家族还拥有其他成员,200Nms只是拉开了中国在轨使用CMG产品的序幕。

根据格局及不同类型航天器特殊需求,502所开发出不同类型的CMG产品,如长寿命CMG、低成本CMG、高精度CMG、高动态响应CMG等。“为满足未来航天器的需求,我们还正在开展变速CMG、高稳定CMG、机电一体化CMG等照片的研发工作。”李刚介绍说。

现在,502所CMG团队已经研发出角动量范围覆盖0.1Nms到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,5Nms CMG具有结构小、重量轻的优点,主要服务于小卫星平台;10Nms、25Nms CMG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~200Nms CMG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~1500Nms CMG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。

未来,我国的航天器都会拥有定制的“定海神针”遨游在太空。

 
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