在太空中调整姿态，不启用发动机点火、不消耗燃料也能完成？天宫还真有这种设备。而这种设备，全球能制造的国家仅有3个。那么这种设备是如何神奇的完成这个任务的？中国技术水平如何？

（天宫空间站高达百吨级，但需要定期对姿态进行微调，确保飞船姿态相对一致）

(资料图片)

中国天宫空间站已经组建成了百余吨重的庞大空间站组合体。这个巨大的组合体，如何在真空的轨道上进行姿态控制和微调，是一大难题。我们常见的航天器姿态变换，一般都需要作用力和反作用力，靠喷射气体机动。而天宫空间站有一个利器，不用启动发动机，仅仅靠电力就可以完成姿态调整。这个利器，就叫做“动量轮”。

（常见的微调姿态设备是RCS，其实就是小型火箭发动机，之前曾经介绍过，有兴趣的可以了解一下）

【空间站若用火箭调姿，成本不低】

过去，航天器姿态控制主要依靠多个姿态调整发动机，它们就是一个个小型火箭发动机。这一传统姿态控制方式，需要消耗不少成本高昂的燃料推进剂，显然，依靠烧燃料来控制姿态，效费比很低。

对于空间站来说，因为飞行时间可以长达几年、几十年，姿态控制操作次数特别多，这包括了太阳风、稀薄的地球逃逸大气、自带可动装置运动对空间站日积月累的影响，以及一些意外情况。

（神舟飞船喷气调整姿态，但空间站大得多，光靠喷气点火不划算）

例如，国际空间站曾遭遇科学号实验舱突然点火的事故，国际空间站至少翻转了540度，只好让星辰号服务舱以及进步MS-17货运飞船的发动机点火，恢复了正常姿态。这令指挥人员不得不考虑额外增加发射任务，用来弥补损失的燃料。对这次姿态调整的成本之大，大家应该有个概念了。

【不消耗燃料的调姿，是什么原理？】

中国天宫空间站配备的这款【控制力矩陀螺】一般被简称为“动量轮”。它通过高速旋转的飞轮，积蓄一定的角动量，然后根据需求，改变角动量的方向，令空间站相应的改变自身的姿态，从而实现姿态控制。

（六个大圆球，就是天宫空间站动量轮）

动量轮安装在天宫空间站外壳上，藏身于多个圆鼓鼓的罩子之中，内部安装着飞轮。按照动量矩守恒原理，一个物体旋转时，只要施加一个反向的动量矩，就可以改变旋转的情况，例如停止旋转，或者旋转到适当角度。动量轮的本质就是这一施加反作用的飞轮，假如空间站绕特定的轴线转动起来，那么就让反作用飞轮根据需要改变动量，抵消或者改变空间站整体的旋转情况。

（动量轮原理简单演示动图）

如果空间站组合体有超过一个舱段带有动量轮，而且这些舱段不是轴线一致，就可以通过互相垂直的多个动量轮，实施更复杂的操纵，也就是实现三轴上的完美姿态控制。

相比传统的姿控系统，动量轮有着零燃料消耗的天然优势，而且它的控制精度比传统发动机高得多，可快可慢，可随时增减调节，可精确调整方向，对空间站上各种各样的柔性部件达到了干扰最小化。所以，对于大型空间站，动量轮的优势巨大。

（天宫空间站展品包括了动量轮部分，朝向不同是为了确保任意方向都可实现三轴控制）

【动量轮原理简单，想实用还有很高的技术门槛】

就天宫空间站而言，它使用的动量轮还有一大挑战，那就是舱内外环境巨大差异带来的各种问题。太空站内外存在200多度的温差，加上真空度差异，给动量轮的润滑和散热，带来了很大的技术挑战。这要求相关产品拥有出色的热控设计。另外，舱内产品部分必须有着完善的减振降噪，否则多个飞轮将严重影响舱内的工作和生活条件。

（开普勒望远镜动量轮故障，只能消耗燃料调姿，寿命大减）

由于太空环境的恶劣，国外航天器动量轮失效的不在少数，很多重点工程，比如开普勒望远镜，就因个别动量轮故障，导致昂贵的设备只用了几年就要被迫退役。

动量轮并非替代使用燃料的姿态控制发动机。它控制能提供的扭矩较小，所以假如空间站需要较大幅度的姿态变化，动量轮将无法满足要求，此时可以启动姿态控制发动机。

而且动量轮也只是实现物体的姿态变化，并不能改变飞行速度，所以还是有局限性。

【打造太空动量轮，全球仅三个国家有这技术】

在研发历程中，中国首先投入轨道应用的是200牛米秒控制力矩陀螺。2011年，天宫一号成功入轨，它配置了6台这一型号的力矩陀螺。其在轨成功的应用，竖立了中国空间控制技术的一个全新里程碑，这也令中国成为全球第三个掌握这一控制技术的国家。

（200牛米秒控制力矩陀螺）

此后，中国陆续研制了角动量范围覆盖0.1牛米秒到1500牛米秒的动量轮，实现了覆盖中国各级别空间飞行器姿态控制的需求，完全自主的掌控了这一领域。新一代的动量轮精度高、响应快、寿命长、可靠性高，为此后的大量航天器提供了有力的支持。