空間站零燃料大角度最優姿態機動路徑規劃

趙 乾 黃海兵 羅亞中 唐國金

（國防科學技術大學航天與材料工程學院）

1 引言

姿態機動控制對于空間站完成期望的飛行任務是至關重要的。空間站的姿態機動控制通常采用噴氣推力器執行。由于空間站質量大，采用這種方式進行一次大角度姿態機動需要耗費大量燃料。雖然控制力矩陀螺用于姿態控制可以減少空間站的燃料消耗，但是由于它產生的控制力矩較小、并存在角動量飽和問題，當將控制力矩陀螺應用于空間站大角度姿態機動、且采用傳統的控制算法和飛控軟件時，很容易出現飽和，一旦角動量飽和，控制力矩陀螺就失去了姿態控制能力，需要噴氣推力器工作進行卸載。由于空間站需要頻繁執行包括姿態模式切換、大角度偏航等姿態機動，大量的燃料消耗給空間站的后勤補給帶來了較大的負擔。

在國際空間站建造和運營中，研究人員開展了使用控制力矩陀螺進行大角度姿態機動的可行性研究[1-2]。1996年，Draper實驗室的Bedrossian在集中動量管理概念研究中最早提出了零燃料姿態機動（Zero Propellant Maneuver，ZPM）[1]。2006年 11月 5日，首次在國際空間站上開展了ZPM技術的演示驗證試驗，在不消耗燃料的情況下，國際空間站在7200s內機動了90°[3]。2007年3月3日，國際空間站又成功地使用控制力矩陀螺進行了不消耗燃料的180°姿態機動，而2007年1月2日國際空間站采用噴氣推力器完成180°姿態機動時則消耗了50.76kg燃料，使用角動量交換裝置實施一次國際空間站的180°姿態機動可節省成本約110萬美元[4]。……