航天器姿态控制

进入地球轨道并不是航天器的目的。除了最早期的实验卫星试验飞船，很少有航天器只是为了成为一颗环绕地球的石子而被发射出去。既然耗费了大量纳税人的金钱，航天器就必须有实际应用价值。而为了投入实用，必须对航天器实施控制，这包括航天器上仪器设备的遥控或自动控制，还有航天器本身的轨道和姿态控制，以保证它按计划稳定运行。如果要进行航天器之间的对接，轨道和姿态控制更是必要条件。返回式卫星、飞船、航天飞机等为了再入大气层也要进行姿态调控，有些航天器还要做变轨机动。在宇宙空间没有大气，航天器无法像飞机一样利用翼面干扰空气流产生控制力，调整卫星轨道和姿态通常只能靠火箭一类的反作用力装置。控制信号可以来自地面或星载仪器，载人航天器一般也可由宇航员直接操纵。

典型的轨道和姿态控制系统包括轨道和姿态测量、测量信号处理、指令产生和指令执行四大部分。在太空中运动的物体可以用六个自由度来描述，即物体质量中心的三个坐标和物体绕穿过该中心三个互相垂直的轴的转动状态。质量中心运动的轨迹叫作轨道，绕质量中心转动的状态则称为姿态。最简单的轨道和姿态控制是保持一组固定的轨道和姿态参数不变，即轨道保持和姿态稳定。

航天器达到第一宇宙速度以上就可以在太空中做惯性运动，但航天器在太空中并不是完全不受力的。以在地球轨道上为例，虽然地球引力被环绕运动所必需的向心力平衡掉了，但其他天体的引力、天体磁场、光压、太阳风、高层大气粒子的阻力以及微流星的撞击等影响，都会使航天器的轨道和姿态发生变化，术语称此为轨道摄动和姿态漂移。

轨道控制是指对于在低轨道（1000千米以下）运行数年或更久的航天器。高层大气粒子的阻力是造成其轨道高度逐渐降低，最后坠入大气层烧毁的主要原因。对于地球同步轨道卫星，为了保持它的轨道周期与地球自转周期相同，也需要非常精确地保持轨道，此外如太阳同步卫星等对轨道保持的要求也很高。多数航天器通过轨道保持发动机，也就是一些小火箭或喷气装置来抵消各种外力造成的轨道摄动，保持原定轨道。

为了完成诸如轨道交会、返回大气层、向其他轨道转移等任务，有些航天器还需要进行变轨机动。典型的需要变轨机动的航天器有载人飞船、外太空探测器等。目前地球同步卫星不是直接发射入轨，也要先发射到近地的转移轨道，再经多次变轨机动进入高约36000千米的同步轨道，并通过微调漂移实现定点。苏联的核动力卫星为避免放射性物质污染环境，在星上仪器寿命将尽时变轨转移到较高轨道上以避开大气阻力，另一些卫星为了不留在低轨道成为垃圾，则在完成任务后转到较低轨道加速坠落，这都是通过变轨机动进行的。

无论是轨道保持还是变轨机动，首先要精确测量轨道。这一般是由地面观测站完成。少数卫星和远离地球探险航行的探测器具备自我定位能力，它们可通过观测某些天体或其他方法自行测定轨道。把从各种途径测得的轨道参数与预定轨道比较，可得出轨道误差，现在这一过程一般由数字计算机进行。根据算出的轨道误差，计算机或卫星控制专家可作出相应的修正指令。这些指令经过传递，最后由航天器上的轨道控制发动机组成功执行，就可实现轨道保持或修正。如果所有上述四个过程都在航天器上进行，就称该航天器具有自主控制能力。大多数航天器根据发射重量限制和实际情况不要求有自主控制能力，但行星际或往更远太空飞行的探测器或飞船必须能够自主控制，因为离地球基地越远，通信造成的延迟就越显著，这使测量和控制信号难以及时到达航天器或地球基地。此外，一些军事航天器为保密或防止基地被破坏等原因也要求自主控制，载人航天器必要时可由宇航员担负上述四个过程的全部操作，因此也属于可自主控制的航天器，但多数时候还是由计算机控制。

航天器的姿态可以用通过其质心的三个互相垂直轴上的角度表示，这三个角度称为方位角。姿态控制就是根据任务要求对航天器的方位角进行控制。多数卫星使用太阳能电池板供电，为保证有足够光照，就要控制电池板使其朝向太阳。通信卫星和其他航天器的通信天线则要指向地面，航天器对接时也要调整姿态，这都需要姿态控制和稳定。

保持航天器的姿态不变也就是姿态稳定，有主动和被动两种方式，也可以二者结合在一起。被动稳定不需要消耗能源，但不如主动方式灵活。最常用的被动稳定方法是自旋体陀螺动量法，它利用了角动量守恒规律，有整个航天器自旋(如自旋卫星)与在航天器上安装高转速质量的旋转稳定体两种。旋转稳定可以是单轴的，也可用双轴的旋转体，它通常由轴承支撑正反转的内外旋转体以实现对惯性空间定向，称为双自旋稳定。有些航天器对外表现为三个方位角都保持不变，称三轴稳定航天器。这些都可以靠旋转的动量轮稳定方法实现。

值得注意的是，有时航天器仅一部分需要姿态稳定，此时也可用角动量交换等方式通过改变不需稳定部分的姿态来调整另外部分的姿态，这样可以节约能源。科幻小说中的大型航天站常靠旋转来获得模拟重力，其实这不仅是居民有获得重力后生活舒适的需要，旋转对航天站的姿态稳定也是有利的。

主动方式的姿态稳定和姿态控制没有严格区别。和轨道控制系统一样，姿态控制系统首先也要精确测量姿态。姿态测量通常利用陀螺，此外还可以用光敏感器（如太阳敏感器、地球敏感器、星敏感器等）、无线电信号接收器(如射频敏感器)等。测得的结果与预期的或所需要的航天器姿态比较，得出姿态误差值，再解算出相应的修正信号，并传给姿态控制器，就可实现姿态控制。常用的姿态控制器有小推力（几千克就够了）火箭和冷喷气装置等，它们经常也承担轨道控制功能。

对于装有旋转稳定体的航天器，改变稳定体的转速也可控制姿态，这往往由电动机实现，那些只有部分需要姿态稳定的航天器也常用电做改变姿态的动力，毕竟电能可靠太阳能电池补充，而火箭燃料用完就失效了。此外，太阳帆也可作为姿态控制甚至轨道控制的能源，有些科幻作品中甚至出现了完全依靠太阳帆作动力的飞船，不过在轻而高强度的材料出现之前，这种飞船是很难实现的。

早期航天器的姿态测量和控制解算往往依靠地面基地的仪器，现在它们多数已小型化到可以安装到航天器上。实现自主控制是航天器发展的趋势。未来可用于星际航行的航天器必然是自主控制的。