重力梯度穩(wěn)定

利用重力梯度力矩來穩(wěn)定航天器空間姿態(tài)的技術(shù)。繞地球運(yùn)行的航天器各部分質(zhì)量所受到的不相等引力等因素所產(chǎn)生的力矩稱為重力梯度力矩。重力梯度穩(wěn)定系統(tǒng)能使航天器的縱軸指向地心。重力梯度穩(wěn)定技術(shù)在60年代得到了廣泛應(yīng)用,特別是用于導(dǎo)航衛(wèi)星。圖1是一顆具有鉸鏈?zhǔn)缴煺箺U的重力梯度穩(wěn)定衛(wèi)星。

重力梯度穩(wěn)定系統(tǒng)主要由伸展結(jié)構(gòu)（重力桿）和阻尼器組成。伸展結(jié)構(gòu)是一根或數(shù)根在末端帶有質(zhì)量的可伸展的桿。航天器入軌后伸出重力桿，可使航天器各軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之差達(dá)到幾十倍甚至百倍以上。重力梯度力矩的大小除與軌道高度和形狀有關(guān)外，還與航天器各軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之差有關(guān)。各軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差別越大，姿態(tài)穩(wěn)定越好。最小慣量軸穩(wěn)定在當(dāng)?shù)劂U垂線方向，最大慣量軸穩(wěn)定在軌道平面的法線（俯仰軸）方向。這個(gè)狀態(tài)就是重力梯度衛(wèi)星的穩(wěn)定的平衡姿態(tài)。

重力梯度力矩雖然可以穩(wěn)定航天器的姿態(tài)，但是它會(huì)使航天器像一個(gè)單擺那樣繞最大慣量軸不停地?cái)[動(dòng)。這種周期性的擺動(dòng)稱為天平動(dòng)。為了提高指向精度，必須對(duì)天平動(dòng)進(jìn)行阻尼。通常采用不需要外部能源的被動(dòng)天平動(dòng)阻尼器。這種阻尼器利用航天器在擺動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的諸如機(jī)械滯后、磁滯、渦流、粘性摩擦等作用來消耗擺動(dòng)的動(dòng)量，以達(dá)到阻尼的目的。

重力梯度力矩很小，在設(shè)計(jì)重力梯度穩(wěn)定的航天器時(shí)，應(yīng)該消除和限制其他擾動(dòng)力矩源。重力梯度穩(wěn)定衛(wèi)星的最佳軌道高度約為1000公里，而且要求采用圓軌道或者偏心率很小的軌道。

重力梯度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)是不消耗能量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，適合于長(zhǎng)期運(yùn)行，然而指向精度較低，一般只能達(dá)到1°～5°。

重力梯度姿態(tài)穩(wěn)定的原理也適用于繞其他天體運(yùn)行的人造衛(wèi)星。例如1973年發(fā)射的“射電天文探險(xiǎn)者”2號(hào)就是一顆繞月球軌道運(yùn)行的重力梯度穩(wěn)定衛(wèi)星。

現(xiàn)代單純采用重力梯度穩(wěn)定的航天器已經(jīng)不多，主要原因是指向精度不高。提高伸展結(jié)構(gòu)的剛度和直度是提高重力梯度穩(wěn)定衛(wèi)星指向精度的主要途徑。重力梯度力矩幾乎對(duì)所有的衛(wèi)星都有影響，若不把它用作穩(wěn)定力矩，就必然成為擾動(dòng)力矩。