航天员出舱时空间站如何稳姿？官方详解CMG与喷气控制

IT之家 9 月 12 日消息，据中国载人航天工程办公室，近期，神二十三乘组圆满完成了约 5.5 小时的出舱活动。中国空间站要实现长期在轨可靠、安全稳定运行，必须具备在轨组装及维修维护能力。因此，需要航天员出舱完成舱外载荷和设备的维修、安装等一系列舱外操作任务。那么，在出舱活动期间，空间站是如何调控姿态，为航天员提供稳定的舱外作业环境呢？

IT之家从官方介绍获悉，中国空间站的姿态控制方式分为两种：发动机喷气控制和 CMG 控制。发动机喷气控制时，向外喷射推进剂，通过反作用力实现空间站姿态控制；CMG 控制时，由 CMG 与空间站舱体之间进行角动量交换，实现空间站姿态控制。

CMG 是什么？

CMG 全称控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope），是航天器姿态控制的关键执行机构之一。CMG 通过框架旋转改变转子角动量方向来产生控制力矩，输出力矩大小可调节，它就像空间站的一个“平衡陀螺”，通过自身快速旋转和框架角度调整，实现其姿态控制要求。中国空间站的天和核心舱和问天实验舱各配置了 6 个 CMG，常规情况下，问天实验舱的 6 个加电工作，核心舱的 6 个断电冷备。

出舱期间，空间站如何进行姿态控制？

相对发动机喷气控制而言，CMG 控制能够节省推进剂，控制效果也更精准、更柔顺。但 CMG 所能吸收的角动量并非无上限，航天员出舱活动期间，若空间站 CMG 角动量不足以支撑后续动作，需要切换为发动机喷气控制以卸载掉 CMG 的角动量。

航天员出舱活动期间，对空间站的姿态控制方式提出的约束主要有安全性约束和精准性需求两个方面，只有在确保航天员、机械臂均不在发动机羽流喷射范围内，且机械臂锁定不运动的模式下，才能使用发动机喷气控制，因此喷气卸载过程会对出舱活动的连续性造成一定干扰，增加航天员舱外活动的时间。

综合上述工程约束，出舱期间在保证姿态控制精度的前提下，需要对空间站 CMG 角动量进行管理，使其尽量不饱和或少饱和，从而减少角动量卸载对航天员舱外活动连续性的影响。

出舱期间，如何进行空间站 CMG 角动量管理？

为了解决上述问题，科研团队提出了一种空间站角动量管理方法，具体包括四个措施。

1.降低角动量初值

在气闸舱向舱外泄压期间和打开出舱舱门后这两个时间段内，使用发动机喷气控制卸载 CMG 积累的角动量。此时航天员、机械臂均不在发动机喷射羽流范围内，机械臂也未运送航天员，使用喷气控制既能提高姿态控制能力，又能卸载此前 CMG 积累的角动量。待航天员出舱移动时，再切换为 CMG 控制，实现最低的角动量初值。

2.增大角动量上限

空间站在常规运行时，GNC（制导导航与控制）系统使用问天实验舱 CMG 群 90% 的角动量吸收能力；一般出舱活动时则达到 100%。一旦出现飞行姿态不理想、帆板不对称转动等特殊情况，为防止 CMG 角动量频繁卸载，会再启用核心舱冷备份的 6 个 CMG，由 GNC 控制器融合使用两舱共 12 个 CMG，角动量吸收能力提升一倍。

出舱活动实施前，还会开展角动量需求仿真，以确定角动量需求，决策是否需要启用核心舱的 CMG。

3.减少角动量积累

在降低 CMG 角动量初值、增大角动量上限的同时，还需要减小出舱期间角动量积累的速率，延长使用 CMG 控制的时间。

方法是预先确定空间站在一个轨道周期内重力梯度力矩与外界干扰力矩（主要是气动力矩）大致平衡的姿态，并将该姿态作为出舱期间的标称姿态，以实现角动量积累速率最小化。

考虑到空间站质量、惯量、大气密度等的不精准性，在航天员出舱活动前，空间站一般会飞行一段时间的轨道系力矩平衡模式，以获得更为精准的航天员出舱活动期间空间站的标称姿态。

4.择机角动量卸载

出舱活动期间，CMG 角动量卸载时机的选择非常关键。由于测控区外一般不安排机械臂或航天员移动，因此优选在测控区外进行 CMG 角动量卸载，以提高航天员出舱活动的时间效率。

具体时序为：1）空间站飞出测控区前先将机械臂锁定、姿态控制方式切换为喷气控制；2）测控区外飞行时利用喷气控制卸载角动量；3）飞入测控区后切换回 CMG 控制，机械臂继续运动。

这样一来，角动量卸载被安排在航天员和机械臂本来就不活动的“空档期”，最大限度减少了对出舱连续性的影响。