问天实验舱发射任务取得圆满成功，中国空间站建造迈入新阶段。对技术创新和可靠产品的不懈追求是中国航天的永恒话题。在长征五号B运载火箭发射问天实验舱任务中，新技术和新产品、好技术和好产品层出不穷，不仅助力“问天”成功问天，待创新成果转化后，也必将带动国民经济发展。我们开设《“问天”黑科技》专栏，对部分代表性的技术和产品展开解读，看“黑科技”如何大显身手。

7月24日，我国在文昌航天发射场成功发射了问天实验舱。随着中国空间站越建越大，其姿态控制难度也是我国航天飞行任务中史无前例的。问天实验舱带了4个重100多公斤的“大家伙”上天，空间站的姿态控制就离不开它们。

“大家伙”学名叫控制力矩陀螺，是航天器姿态控制的惯性执行部件，通过高速旋转的飞轮获得角动量，并通过改变角动量的方向来对外输出力矩。多个控制力矩陀螺联合使用，就可以使超过100吨的空间站在太空“坐如钟、行如风”。

中国空间站使用的控制力矩陀螺，由中国航天科技集团有限公司五院502所研制，其角动量是1500Nms（牛米秒），是目前我国该类产品中最大的，采用了两舱“6+6”的配置。这一配置正是组合体系统级的先进之处，可以融合使用，通过总网络按需重构。

其中6台已安装在空间站核心舱大柱段与小柱段连接锥面外壁上。另外6台，此前天舟四号已带上天1台，此次问天试验舱又带上去4台，后续天舟五号还会再“捎”上去一台，这6台将安装在问天实验舱。

▲ 空间站核心舱已安装的6台大型控制力矩陀螺

如果从1998年开展预先研究算起，到2021年空间站使用的控制力矩陀螺首次在轨成功应用，是23年。我国的控制力矩陀螺研制可谓千辛万苦。

自主攻关 拳打“拦路虎”

万里穿针，没有它不行；建设空间站，没有它不行；发展快速机动航天器，没有它不行……

控制力矩陀螺曾经是中国航天人面前的“拦路虎。1991年，我国开始论证空间实验室和空间站项目，控制力矩陀螺作为“重器”被提了出来。“核心技术是买不来的”，所以，论证伊始便坚定选择了自力更生。

航天科技集团五院502所组建团队，开始了控制力矩陀螺技术攻关和产品研发，但难度之大超出了所有人的想象。正所谓“千锤成利器，百炼变纯钢”。经历了种种坎坷与磨难，团队10余年攻坚，他们最终成功了。

我国第一台上天的是控制力矩陀螺是在2011年，随天宫一号上天，它的在轨应用是我国空间机电部件发展的一个里程碑，使我国成为国际上第三个掌握该技术的国家。

从“拦路虎”到技术高峰

从天宫一号开始，航天科技集团五院面向更大和更小航天器应用，开发了系列控制力矩陀螺产品，但和控制力矩陀螺在其他航天器上的应用不同，空间站任务有更高的要求——

其他航天器控制力矩陀螺都是安装在舱内的，工作环境较为单一，而空间站上的控制力矩陀螺需要同时适应舱内舱外两种工作环境，带来很大挑战，特别是针对200多度的温差，研制人员不得不进行专门的热控设计。对于舱内产品，还开展了减振降噪工作。

▲ 神舟十四号航天员在轨设置控制力矩陀螺

作为最复杂的空间机电类产品，控制力矩陀螺工作环境恶劣、寿命要求长。为了保证空间站的寿命与可靠性，控制力矩陀螺需要具备在轨更换能力，因此需要开展在轨维修与工效学的设计验证工作。为了同时满足长寿命与高可靠的要求，还需要在设计中考虑冗余备份问题等。

空间站任务把控制力矩陀螺在中国航天器上的使用提高到了一个新高度。拦路虎变成了技术高峰。

产品型谱化发展

航天科技集团五院在天宫一号之后的数年时间里，陆续研发出了满足我国各类空间飞行器姿态机动与姿态控制需求的全系列控制力矩陀螺产品型谱。

较第一代上天的产品，新研的控制力矩陀螺控制精度大幅提升，具有精度高、响应快、寿命长、可靠性高等优点，可满足我国各类空间飞行器的姿态控制要求。

系列产品的应用显著提升了我国空间飞行器的姿态机动与姿态稳定控制能力，使卫星看得更准、更广，一个更顶多个用。控制力矩陀螺的研制与应用，也推动了我国空间惯性执行机构的快速发展。（中国航天科技集团）