航天员桂海潮口中的“控制力矩陀螺”究竟是何方神圣？

　　9月21日下午，“天宫课堂”第四课正式开课。在课堂上，神舟十六号“出差三人组”为全国的中小学生展示了诸多精妙绝伦的物理小实验。其中，经典的陀螺实验再次回归。载荷专家桂海潮在演示的同时，也为大家介绍到了该实验的现实应用——

　　控制力矩陀螺究竟是什么呢？在空间站的运行中，它又发挥着怎样的作用呢？今天不妨就跟着我们一起来学习一下吧。

　　空间站在日常运行过程中，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。

　　航天器传统的姿态控制办法是通过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，并不适用于大型航天器的姿态控制。

　　因此，空间站的稳定运行便需要用到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方向来对外输出力矩。相较RCS姿控系统，它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。

　　在最新的“天宫课堂”里，航天员桂海潮拿着一个陀螺放在身前，当陀螺开始高速自转后，桂海潮通过改变陀螺的方向，成功地带动了自己身体的转动。

　　这里面蕴含的物理知识便是关于物体的角动量。当陀螺静止时，它的角动量为零；而当陀螺高速自转时，便蕴藏了巨大的角动量。

　　我们都知道，力是物体动量发生改变的原因。此时航天员改变陀螺的方向，导致它的角动量发生显著变化，这时陀螺就会反过来给予航天员一个反作用的力矩，这便会进而带动航天员的身体运动，也就是演示中的“转身”。

　　远在太空运行的中国空间站重达几百吨，却能通过数个总重量仅几百公斤的控制力矩陀螺改变姿态，依靠的便是这样的物理原理。

　　万里穿针，没有它不行；建设空间站，没有它不行；发展快速机动航天器，没有它不行……控制力矩陀螺的技术攻关和产品研发曾是中国空间技术发展遭遇的“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。

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

　　自天宫一号后，科研团队陆续研发出了角动量范围覆盖0.1Nms到1500Nms的产品，形成了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控制力矩陀螺产品型谱。

　　其他航天器的控制力矩陀螺安装在舱内，工作环境较为单一，空间站上的控制力矩陀螺却需要同时适应舱内、舱外两种工作环境。由于极大的温差和真空度变化等因素，给产品关键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，同时对舱内产品开展减振降噪工作，以符合舱内噪声指标要求。

　　同时，作为复杂的空间机电类产品，控制力矩陀螺工作环境恶劣、寿命要求长，要求每分钟数千转连续工作多年，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，并采用了两舱“6+6”的配置。其中有6台已安装在核心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。

　　从“拦路虎”变成技术高峰，控制力矩陀螺系列产品的研制与应用显著提升了我国空间飞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发展。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发展。

　　《航天员》杂志创刊于2005年10月，由中国航天员科研训练中心主管主办、中国航天基金会支持、北京太空梦想科技发展有限公司外协服务，是面向航天界及广大航天爱好者的权威科普期刊。