空间站变换构型仍能稳定运行 这个系统是关键

北京日报客户端 | 记者 刘苏雅 王海欣 通讯员 薛英民 张军 时小丹

空间站的在轨建设就像“搭积木”，需要在太空将各舱段组装起来，期间还会有载人飞船、货运飞船频繁的造访和分离。自空间站建造以来，其在轨的质量变化约5倍，惯量变化约100倍。而航天科技集团五院502所为空间站量身打造的空间站制导导航与控制（GNC）系统，能在各阶段的姿态、轨道、机动等控制任务中，实现多舱段资源的统一调用，保障空间站稳定运行。

空间站在轨运行时，GNC系统可谓是重任在肩。它除了能消除发射时核心舱与火箭分离过程姿态的偏差、来访飞行器与核心舱对接和分离过程中对空间站姿态的干扰，以及舱段转位后的姿态漂移，还能完成核心舱单舱和空间站组合体整个飞行任务期间的姿态轨道的测量与控制，包括组合体飞行期间各舱位置和姿态信息的共享、各舱发动机的融合姿轨控等。不仅如此，它还要配合完成交会对接、航天员出舱、机械臂在轨操作、光学舱维护等任务。

天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三个舱段的质量均超过20吨，再加上载人飞船、货运飞船的到访，空间站实现最大扩展时，质量会达到近180吨。大质量、大惯量、大干扰、大挠性、变结构，这些特点给空间站GNC系统的设计带来了巨大挑战。

例如同样是“向左转”这个动作，在不同的构型下，需要调动和能调动的资源、信息自然不同。空间站GNC系统要能根据当前构型自主选择最优控制方案，实现对整个空间站的控制，保证各种构型下空间站的“精稳控制”。

通常来说，控制空间站姿态的方式无外乎采用喷气或控制力矩陀螺两种方式。为了用最少的燃料使用实现组合体的姿态控制，航天科技集团五院专门研制了1500牛米秒的控制力矩陀螺产品，并为空间站不同构型设计了特有的组合体力矩平衡姿态，只需通过小幅度的姿态调整，就能最“经济”地控制空间站这个“庞然大物”。并通过极低频超大型组合体控制设计、多舱融合组合体健康管理实现了GNC系统的超能、智能。

技术人员表示，空间站三轴姿态精度和姿态角速度稳定度指标均优于系统设计要求，姿态机动也表现出色。截至目前，空间站在轨已进行了200余次大角度姿态机动，以满足能源、航天员出舱、雷雨天气下等通信需求。力矩平衡姿态控制模式是我国航天器在太空中的首次应用，在轨飞行曲线显示，空间站长期飞行时三轴姿态稳定，在没有喷气卸载的情况下，控制力矩陀螺的角动量幅值长期维持在较低水平，达到了力矩平衡姿态控制的目的。

空间站建造以来，各阶段的姿态、轨道、机动等控制均圆满完成。从单舱入轨到完成“T”字构型，质量变化约5倍，惯量变化约100倍，GNC系统解决了建造过程中的变构型、大挠性和系统组成复杂等问题，验证了惯量在2个数量级变化的系统的稳定性、可靠性，各项功能性能均满足任务要求，表现优异。