航天器是否有可能在不使用任何RCS推进器的情况下在太空中改变方向?

时间:2021-08-13 09:21:39   作者:
国际空间站(ISS)每天都这样做。国际空间站使用控制力矩陀螺仪(CMGs)。它们和反作用轮有点不同,但原理是一样的。角动量是一个守恒量。这意味着它保持不变,除非受到外力的作用。

下图中,H代表角动量。我们可以看到,国际空间站的角动量,作为一个整体,等于外部力矩产生的角动量加上cgs系统的角动量。

航天器是否有可能在不使用任何RCS推进器的情况下在太空中改变方向?

在近地轨道上运行的宇宙飞船的主要外力矩是重力梯度力矩和大气阻力力矩。扭矩是一种能引起旋转的扭转力。在国际空间站上,这些力矩是由围绕质量中心不均匀分布的外力引起的。

例如,如果国际空间站的上部比下部有更多的表面积,那么上部就会比下部受到更多的大气阻力,这就会导致国际空间站向上倾斜。如果国际空间站的前部比后部更接近地球中心,就会产生重力梯度,使前部向下的拉力大于后部向下的拉力,从而导致飞行器向下倾斜。猜您对有关于航天器的文章感兴趣:飞行器、航天器和宇宙飞船有区别吗?

航天器是否有可能在不使用任何RCS推进器的情况下在太空中改变方向?

因此,为了让国际空间站保持静止,我们试图将它置于一个大气阻力和重力梯度相互抵消的姿态(方向)。不可能总是让这两个完全相反而没有净效应,所以我们需要使用cmg来解释多余的扭矩。

每个CMG包含一个大型钢轮(220磅或100公斤),以6600转/分旋转。它产生的角动量为3500英尺-磅-s或4742.5 N-m-s。由于有四个cmg,这意味着该系统可以存储总计14000英尺-磅s (18970 N-m-s)。

我们保持这四个轮子以6600转/分的恒定速度旋转,但注意角动量是一个矢量。如果我们将一个轮子的方向调整到另一个轮子的相反方向,我们就有效地将这两个轮子从系统中取消了。在下面的插图中,我们可以看到cmg的三种潜在构型。首先,CMG系统动量之和为0 ft-lb-s (0 N-m-s)。在第三阶段,CMG系统的动量总和为14000英尺-磅-s (18970 N-m-s)。中间状态介于两者之间。

航天器是否有可能在不使用任何RCS推进器的情况下在太空中改变方向?

由于力矩是角动量的时间导数,当我们改变CMG系统的动量时,我们可以在ISS上诱导一个力矩。



下一个图说明了力矩的方向。

航天器是否有可能在不使用任何RCS推进器的情况下在太空中改变方向?

为了使国际空间站倾斜,我们可以命令一个CMG框架将轮子旋转到左边。

这些力矩可以用来抵消外部力矩,使国际空间站保持静止,或者在没有这种外部力矩的情况下,诱导国际空间站上的一个速率,使其面向一个特定的方向旋转。

不需要外力,也不需要推进剂。我们仅仅通过控制国际空间站的动量来控制它的姿态。

反作用轮的工作原理类似,除了它们通常没有允许车轮重新定向的框架。相反,每个轴上都有轮子,每个轮子的速度被操纵以改变关于特定轴的角动量。
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