赵 乾 黄海兵 罗亚中 唐国金

（国防科学技术大学航天与材料工程学院）

1 引言

姿态机动控制对于空间站完成期望的飞行任务是至关重要的。空间站的姿态机动控制通常采用喷气推力器执行。由于空间站质量大，采用这种方式进行一次大角度姿态机动需要耗费大量燃料。虽然控制力矩陀螺用于姿态控制可以减少空间站的燃料消耗，但是由于它产生的控制力矩较小、并存在角动量饱和问题，当将控制力矩陀螺应用于空间站大角度姿态机动、且采用传统的控制算法和飞控软件时，很容易出现饱和，一旦角动量饱和，控制力矩陀螺就失去了姿态控制能力，需要喷气推力器工作进行卸载。由于空间站需要频繁执行包括姿态模式切换、大角度偏航等姿态机动，大量的燃料消耗给空间站的后勤补给带来了较大的负担。

在国际空间站建造和运营中，研究人员开展了使用控制力矩陀螺进行大角度姿态机动的可行性研究[1-2]。1996年，Draper实验室的Bedrossian在集中动量管理概念研究中最早提出了零燃料姿态机动（Zero Propellant Maneuver，ZPM）[1]。2006年 11月 5日，首次在国际空间站上开展了ZPM技术的演示验证试验，在不消耗燃料的情况下，国际空间站在7200s内机动了90°[3]。2007年3月3日，国际空间站又成功地使用控制力矩陀螺进行了不消耗燃料的180°姿态机动，而2007年1月2日国际空间站采用喷气推力器完成180°姿态机动时则消耗了50.76kg燃料，使用角动量交换装置实施一次国际空间站的180°姿态机动可节省成本约110万美元[4]。……