控制力矩陀螺发展与应用研究*

翟 华，来 林，武登云，李 刚，魏文杉

0 引 言

控制力矩陀螺陀螺(control moment gyroscope，CMG)是一种重要的空间执行机构，一般由转子和框架两部分组成.转子以恒定的角速度旋转，提供一个恒定的角动量；框架组件驱动转子组件围绕垂直于角动量矢量方向的框架轴旋转，改变角动量矢量方向，实现CMG与航天器之间的角动量交换，同时输出陀螺力矩.CMG在其研制之初，主要应用在美国和苏联政府主导研制的大型航天器上，例如美国的天空实验室(Skylab)，苏联/俄罗斯和平号空间站(MIR)和国际空间站(ISS).2007年Worldview-1卫星的成功入轨，标志着CMG正式应用于商用卫星.该卫星装备的霍尼韦尔公司的M95 CMG也成为了当时有过飞行经历的角动量最小的CMG[1].

CMG通过与航天器进行动量交换来实现对外部扰动力矩的吸收，保持航天器姿态稳定；同时也可以快速改变航天器的姿态，实现载荷对目标区域的快速指向.与传统惯性执行机构相比，CMG有着更高的能量效率，因此也特别适用于在航天器应用[2].

近年来，为了满足多样化的卫星平台和应用需求，CMG的型谱得到了极大的扩展.同时，CMG的应用也不仅局限于卫星姿态控制，已经扩展到了空间操控和地面海洋等领域.

1 CMG典型产品

中大型航天器一直以来都是CMG应用的主要领域.其中最著名的应用就是在载人航天领域.国际空间站(ISS)安装了4台双框架CMG，两个框架使单台CMG的角动量矢量可以指向任意方向，这就使得CMG群角动量包络的半径为单个CMG角动量的4倍，如图1所示.为了对400t的国际空间站进行姿态维持，CMG巨大的高速转子可提供4 760 N·m·s的角动量，可输出258 N·m的力矩[1].国际空间站CMG采用了双框架的形式，在对外输出力矩时，其陀螺力矩全部由CMG的框架来承受，因此框架电机需要具备巨大的力矩输出能力.与之相反，单框架CMG的陀螺力矩通过刚性连接的支架直接作用在安装舱板上，这就极大降低了框架电机和整机的体积、重量、功耗，这也是目前研制和应用的绝大多数CMG为单框架CMG的原因.

图1 国际空间站CMG群

空间站CMG之所以采用双框架的形式，主要源于其设计继承了天空实验室.在20世纪60年代，天空实验室开始设计的时候，单框架CMG存在着动力学上的奇异问题，无法稳定的控制航天器姿态，而当时没有出现能够解决这一问题的算法.随着后续各种控制率理论和算法的发展，奇异问题得到了很好的解决，这使得单框架控制力矩陀螺得到了前所未有的广泛应用.

美国Honeywell公司研制的M95是在轨应用数量较多的一型CMG，其角动量为128.8 N·m·s.Worldview系列高分辨率卫星采用4台M95组成构型的姿控单元，大大提升了卫星的机动速度，如图2所示.以Worldview-4卫星为例，卫星从一个成像目标转向下一个成像目标的转换时间小于5 s，与采用传统动量轮的30-45 s相比大幅提高.卫星的重访率也由原来的近3天，降低为1天.作为商业遥感卫星，这些指标的提升都意味着卫星可获得的有效数据成倍的增长，可为运营商带来更可观的经济效益.

图2 Worldview卫星M95 CMG

随着技术的发展，近年来微小型卫星可执行任务得到了极大的扩展，其对姿态控制的需求也较为迫切.为了适应不同量级的卫星平台，不同种类的微小型CMG也得到了快速的发展[2-3].

15-45S CMG是欧洲空中客车防务与空间公司研制的一款小型CMG，如图3所示，其标称角动量为15 N·m·s，最大输出力矩为45 N·m.通常以4台CMG组成构型使用，可以使1 t级卫星在2 s内达到3°/s的角速度.在设计过程中，其高速转子部分继承自成熟的动量轮产品，这也是其保持低成本的重要方法.

该产品2011随法国Pleiades卫星首飞，目前已经成为了空客公司标准卫星平台产品.

图3 空客公司15-45S CMG

为了满足100 kg以下级卫星的应用，美国Honeybee公司开发出了一款重量仅为700 g的微型CMG，其角动量为0.12 N·m·s，如图4所示[4].

美国佛罗里达大学为1U立方星SwampSat研制了一款微型CMG，其角动量仅为0.8 mN·m·s，由4台CMG组成的CMG群的总质量仅为500 g，如图5所示[5].该卫星2013年与其余28颗微小卫星一起被发射入轨.

图4 Honeybee 微型CMG

图5 SwampSat卫星微型CMG

2 CMG技术发展

2.1 高精度框架控制研究

CMG框架的输出力矩取决于其角动量与框架的转速.一般来讲，CMG的高速转速维持在一个恒定值，其输出力矩主要由框架转速决定，因此CMG输出力矩的高精度控制转化为了框架转速的高精度控制问题.CMG框架控制，一般采用PID控制器，如图6所示.内环对电流进行闭环控制，保证力矩的快速响应；外环对转速进行调节，保证CMG框架按指令角速度转动，输出相应力矩.

近年来，由于光学卫星的成像分辨率越来越高，成像形式也越来越多样，控制系统对CMG输出力矩的精度和响应要求也越来越高.对于框架转速控制器来说，提升转速的控制精度和响应带宽也成为研究的热点方向[6-8].同时深入的研究也发现了，CMG框架驱动控制系统不仅仅是一种电机伺服系统，作用在框架电机输出轴上的扰动力矩也有着一定的规律性，其主要成分是与高速转子转动频率及其倍频相关的扰动.如图7所示，左侧100 Hz谱线为高速转子转速基频，而其3、5、7倍频的扰动谱线也可以非常清晰的分辨出[9].通过这一认识，更多的如自学习，陷波器等控制手段被加入到控制算法中，来对特定的主要干扰进行消除.

图6 框架PID控制器

图7 高速转子扰动作用在框架上的频率谱线

2.2 微振动特性研究

作为航天器的主要扰振源，CMG的扰振力与力矩可能直接影响光学载荷的成像效果，因此CMG自身的扰振特性近年来也备受关注.由于CMG结构的复杂性，直接获得振动传递模型较为困难，可以采用结合模态分析，频率响应分析等方法，将数值模型和基于试验的系统参数辨识模型进行有效结合，最终获得CMG的微振动传递模型.CMG微振动试验如图8所示[10].结合试验测试结果和数值结果，可以得到CMG作用在安装界面的扰振力特性，如扰振力与框架角度有一定关系，随框架角变化呈现出正弦周期性变化趋势；高速转子的动、静不平衡量是扰振力产生的主要原因等.进一步的研究将为CMG自身振动降低和外部减振装置的设计提供依据.

2.3 高可靠长寿命研究

大型航天器的设计寿命一般要达到10年甚至更长，这就需要中大型CMG的寿命要与之相适应.与动量轮不同，CMG的高速转子一般要在寿命周期内持续维持较高转速，每分钟几千甚至上万转.其轴系长期高速运行，承受大载荷，是制约CMG寿命的关键组件.根据披露的资料，高速轴系故障是CMG在轨故障的主要原因，国际空间站CMG已知的两次故障均与其高速轴系有着密切的关系[11].

图8 微振动测试示意图

提升高速轴系的运转寿命，主要的研究工作集中在微量润滑系统和轴承保持架的设计.空间轴承由于其无法维修的特点，为了保证在寿命期内的可靠润滑，需要设计高可靠的微量供油系统.通过离心力使润滑油从储油装置中微量流出，经过缓冲环节进入轴承，来填补轴承内润滑油由于挥发等作用带来的损失，图9为储油器示意图[11].保证出油的可靠和出油量的稳定对研究人员来说依然是一个不小的挑战.

图9 储油器示意图

作为一个复杂的空间执行机构，为了进一步提高CMG的可靠性，除了提升各组件可靠性外，还可以采取对关键组件、驱动线路进行备份的方法.这种方法也特别适用于对可靠性要求非常高的载人航天器上，如空间站，空间实验室等.对于CMG结构上一般可对转子电机，框架电机，测角传感器进行备份.图10所示为带有备份设计的CMG本体样机[12].以电机为例，可采取单电机备份绕组的形式，也可采用双电机的形式.而对于驱动线路，可采用对关键局部电路进行备份，也可以对全部电路进行备份.备份在理论上可以大幅提升产品的可靠性，但是由此产生的主备份之间的相互影响，以及切换过程的安全性与平稳性需要深入的分析.在线路上尤其要做好潜通路的分析工作，以免产生设计之外的状态，影响产品的可靠性.

图10 采用备份设计的CMG

2.4 CMG分系统化

分系统化也是CMG研制的一个重要特点.由于小卫星特别是微型卫星的研制机构往往不是大型的宇航企业，没有完整的控制分系统研制体系，因此更倾向于采购可以直接应用的基于CMG的控制系统，而不是费力的去研究CMG控制率和研制姿控单元.微小型CMG通过其结构构成标准构型的形式.其控制驱动单元也会事先装入标准的姿态控制率，使用户可以直接通过指令使CMG群产生某个轴上的力矩，而不必担心具体是哪个CMG的框架以多少角速度转动.也有文章指出，由于CMG群的处理器运算速度和能力远远高于一般微型卫星的姿态控制计算机，因此完全可以将姿态敏感器信号直接引入CMG群处理器，使其成为一个真正的姿控计算机.

Honeybee公司的CMG群驱动控制电路，如图11所示.就在处理器中装入了双平行构型的控制率.

图11 Honeybee公司CMG群驱动控制电路

空客公司推出系列化的NEWTON敏捷姿控单元也是基于使用户能够更方便的选用适配这一原则设计的.姿控单元中包含了CMG机构、控制电路和CMG控制率.其中CMG机构继承自有过大量飞行经验的15-45S型CMG，系列化的姿控单元可以适应从5 00 kg到2 000 kg的敏捷卫星应用.

霍尼韦尔公司研制了多型角动量控制系统[13]，如图12所示.该系统将4台CMG按照构型通过整体隔振装置安装在结构内，并集成了驱动控制电路，实现任意轴14.9 N·m·s角动量，5 N·m力矩输出，满足整星3°/s的转动速度要求.

图12 霍尼韦尔公司微型角动量控制系统

2.5 低成本研制

应用于商业卫星的CMG产品一个显著的特征是对成本的控制.商业卫星，特别是商业微小型卫星的成本有限，因此对单机成本要求较为严格.为了适应这一要求，微小型CMG的研制主要采用继承成熟产品、应用商业/工业通用组件、降低结构复杂度的方法.

如前文中提到了空客公司研制的15-45S在复杂的高速转子部分就完全继承了已有成熟动量轮产品，降低了研发成本和生产成本.而其他中小型宇航企业、高校在研制微型CMG过程中，对于关键的转子电机、框架电机、轴承、测角传感器及控制驱动电路方面，一般直接采购商业现货产品.如图13所示，组装人员在使用商用电机来组装微型CMG.这一方面降低了成本，另一方面也大幅降低了研发难度，这也是近年来欧洲和美国的多所高校都加入到了开发微型CMG的行列中的原因，如图14所示[14-15].大量采用商业组件还从另一方面促进了微小型CMG体积、重量和功耗的大幅降低.

图13 商业级组件组装CMG

图14 高校研制的微型CMG

3 CMG应用扩展

3.1 空间领域应用

随着人类空间活动和空间应用日趋复杂，特别是微小型CMG的研制和在轨应用，各科研机构也开始尝试探索CMG在空间上的新应用，以提升空间操作的效率、空间机构的稳定性和人类空间活动的适应性.

(1)空间机械臂角动量补偿

与地面机械臂安装在刚性界面上的情况不同，空间机械臂的运动产生的反作用力会造成末端执行器轨迹跟踪误差.同时还会影响整星姿态控制，使星体产生姿态扰动，从而影响星上其他载荷的正常工作，消耗整星能源.采用CMG这种通过动量交换来输出力矩的设备作为执行单元，可以有效的避免反作用力的产生.图15展示了一台由两组CMG以剪式构型组成的2自由度机械臂[16].

(2)航天员可穿戴CMG

长期生活在微重力环境，会使航天员产生运动适应性失调，包括定向障碍，肌肉力量降低等.这就是为什么在空间站同一舱段工作的航天员，可能对方位产生不一样的判断.在宇航员执行复杂重要工作时，这些现象带来的危害显得尤为明显，如在交会对接，出舱操作，返回地面过程中.为了解决这些问题，提升航天员的在轨生活适应能力，降低工作风险，研究人员们进行了可变矢量宇航服(V2Suit)的研制[17].宇航服在手臂、腿部等位置，安装了一系列模块，每个模块包含检测姿态的敏感器和呈金字塔构型CMG群，在任意方向上可提供0.1 N·m的力矩，如图16所示.整个宇航服系统在初始状态确定一个“下”的方向，各部位的CMG群，根据身体的运动，提供一个向下的抵抗力矩，使宇航员感觉到“重力”的效果.

图15 由CMG作为执行器的空间机械臂

图16 航天员可穿戴CMG

3.2 陆海领域应用

CMG在陆地和海上的应用可以追溯到19世纪初，甚至更早，利用的依然是单框架CMG力矩放大的原理，通过框架的小角度摆动来产生较大的输出力矩.

(1)船上减摇陀螺

在海上航行的舰艇受海浪的影响，会产生船体的横向摇动.这种摇动会影响船上设备的作业，也会影响船上人员的乘坐舒适感.基于CMG的减摇装置，是利用CMG的输出力矩来抑制船舶横摇力矩.与传统的减摇鳍相比，减摇陀螺没有船外附属结构，在零航速及低航速下也能产生减摇效果；与减摇水舱相比，其重量、排水量占比小，减摇效果更优.减摇陀螺对船舶稳定性没有影响并且安装方便，是一种很有前途的新型船舶横摇抑制方案.近年来，国外多家公司投入了大成本进行研发，使这一产品重新走入船舶业的视野.

对于不同类型的舰船，以及适应不同级别的海况，减摇陀螺的角动量可以达到78 000 N·m·s，最大输出力矩可以达到35 000 N·m，即使是国际空间站的CMG都不能与之相比，如图17所示.考虑到如此巨大的角动量以及海浪扰动的频率特性，减摇陀螺的框架驱动控制一般采用液压的形式，而不是空间CMG常用的电机伺服驱动.

图17 船用减摇陀螺

(2)陆上平衡运输系统

陆上平衡运输工具的研究开始的也很早，但是随着新的驱动控制以及传感器技术的应用，使其向商用化迈出了重要一步.如图18所示的自平衡车是一台两轮车辆，兼具了摩托车的速度与能力，同时又有轿车的舒适性.其CMG系统是一个闭环系统，包括自平衡控制器，姿态测量单元，两台组成剪式构型的CMG.通过检测车身的姿态，协同控制两台CMG，保持车辆在滚动方向上的稳定性.

图18 自平衡车与CMG系统

4 结 论

控制力矩陀螺在航天器姿态控制领域的应用近年来一直保持着快速增长的趋势.在应用数量增长的同时，对于长寿命，高可靠，高精度，低扰振的研究依然是领域关注的重点.适用于微小型卫星的CMG更加关注成本的控制，体积、重量、功耗的降低.以CMG群为核心的姿控单元也成为微小型CMG发展的趋势，满足了微小卫星缩短研发周期，降低研发成本的需求.

利用角动量交换原理和力矩放大特性，CMG在各个领域的应用都得到了较大的扩展，如空间机械臂的动量补偿，在轨组装的角动量匹配，空间大型结构的振动抑制，船舶减摇，自平衡交通工具等等.不同的应用工况、力矩特性都对专用CMG的研发提出了新的要求和挑战.