空間站零燃料大角度最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動路徑規(guī)劃

趙 乾 黃海兵 羅亞中 唐國金

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院）

1 引言

姿態(tài)機(jī)動控制對于空間站完成期望的飛行任務(wù)是至關(guān)重要的。空間站的姿態(tài)機(jī)動控制通常采用噴氣推力器執(zhí)行。由于空間站質(zhì)量大，采用這種方式進(jìn)行一次大角度姿態(tài)機(jī)動需要耗費(fèi)大量燃料。雖然控制力矩陀螺用于姿態(tài)控制可以減少空間站的燃料消耗，但是由于它產(chǎn)生的控制力矩較小、并存在角動量飽和問題，當(dāng)將控制力矩陀螺應(yīng)用于空間站大角度姿態(tài)機(jī)動、且采用傳統(tǒng)的控制算法和飛控軟件時，很容易出現(xiàn)飽和，一旦角動量飽和，控制力矩陀螺就失去了姿態(tài)控制能力，需要噴氣推力器工作進(jìn)行卸載。由于空間站需要頻繁執(zhí)行包括姿態(tài)模式切換、大角度偏航等姿態(tài)機(jī)動，大量的燃料消耗給空間站的后勤補(bǔ)給帶來了較大的負(fù)擔(dān)。

在國際空間站建造和運(yùn)營中，研究人員開展了使用控制力矩陀螺進(jìn)行大角度姿態(tài)機(jī)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(tài)機(jī)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(shù)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(nèi)機(jī)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(jìn)行了不消耗燃料的180°姿態(tài)機(jī)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(tài)機(jī)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(tài)機(jī)動可節(jié)省成本約110萬美元[4]。……