自旋穩定衛星

按照陀螺定軸性的原理，只要衛星星體的自旋角動量足夠大，在環境干擾力矩的作用下，角動量方向的漂移非常慢，就可以使衛星在慣性空間達到定向控制的目的。在總體設計時，考慮到實際衛星不是剛體，有許多彈性部件，所以將自旋軸選取為最大主慣量軸。自旋軸和其他兩個慣性軸的轉動慣量比值必須大於1，否則衛星在軌道上的運行會處於不穩定狀態。在角動量守恆的情況下，衛星的運動最終將趨於最小動能狀態。

我國的“東方紅”1號、“實踐” 1號、“東方紅”2號和“風雲” 2號等都採用了自旋穩定的控制方式。雙自旋穩定衛星由轉子和消旋平台兩部分組成，兩者通過軸承連接起來。衛星中的大部分服務(保障)系統都放在轉子中，轉子恆速自旋使衛星自旋軸的姿態保持穩定。裝在轉子上的電動機使平台作反方向旋轉。當平台相對於轉子的轉速和轉子的轉速相等時，平台就實現了消旋。這類衛星屬半主動姿態控制衛星。

自旋穩定衛星分為單自旋穩定衛星和雙自旋穩定衛星。單自旋穩定衛星採用的是一種被動姿態穩定方式。

簡稱自旋穩定，是一種被動姿態穩定（見航天器姿態控制）。早期的人造地球衛星大多是自旋（繞一個主慣量軸恆速旋轉）穩定的。當星體自旋角動量足夠大時，在環境干擾力矩作用下角動量方向的漂移非常緩慢。這種特性就是所謂陀螺定軸性。衛星恆速自旋時自旋軸方向與角動量方向一致。剛體動力學證明：當剛體繞最大主慣量軸或最小主慣量軸自旋時，都具有陀螺定軸性。但是實際的衛星不是剛體。衛星包含彈性部件，並裝有姿態控制和軌道控制所需要的液體燃料。對於其標稱自旋軸是最小主慣量軸的衛星，當自旋軸與總角動量向量不重合而產生章動時，自旋軸就繞總角動量向量轉動。這會引起衛星中彈性部件振動和液體燃料在燃料箱內晃動，這些運動都要消耗衛星的轉動動能，衛星的運動終將趨於最小動能狀態。在角動量守恆的情況下，最小動能狀態就是衛星繞最大主慣量軸旋轉的狀態。也就是說，當衛星繞最小主慣量軸自旋且有內部機械能耗散時，標稱自旋軸將在空間翻轉。因此，衛星的自旋軸必須是最大主慣量軸，這就是設計自旋衛星時必須遵循的最大主慣量準則（見航天器姿態動力學）。在人造衛星的機動變軌和行星際航天器的中途軌道修正中，也可採用自旋穩定來保持推力方向的穩定。

一種半主動姿態控制。多用於通信衛星。雙自旋穩定衛星由轉子和消旋平台兩部分組成，兩者通過軸和軸承連接起來。衛星中的大部分輔助系統都放在轉子中，轉子的質量比平台的大得多。轉子恆速自旋使衛星自旋軸的姿態保持穩定。裝在轉子上的電動機使平台作反方向旋轉。當平台相對於轉子的轉速與轉子的轉速相等時，平台即實現了消旋。這時平台上的有效載荷（如探測儀器、通信天線等）將穩定地對地定向。隨著衛星應用技術的發展，衛星需要獲得更多的太陽能，因而要求擴大裝有太陽電池片的圓筒形轉子的表面積。轉子的直徑受到運載火箭外形尺寸的限制，因而只能增加圓筒的高度，使轉子呈細長形。這時轉子的自旋軸成為最小主慣量軸，它不再具有陀螺定軸性。在這種情況下，保持自旋軸穩定的最簡單有效的方法是在消旋平台上安裝高效率的章動阻尼器。當衛星出現章動時，阻尼器內部可動工質（工作介質）的運動對衛星產生反作用力矩。由於平台不跟隨轉子旋轉，所以此反作用力矩就能消除衛星的橫向角速率，使整個平台對雙自旋衛星自旋軸的定向起鎮定作用。

早期，衛星的穩定方式是採用自旋或者雙自旋穩定。衛星旋轉，其角動量矢量在慣性空間中幾乎固定不變，它的優點是可以廉價地實現穩定和指向精度，因此也決定了推進系統設計要求：

1)由於需要較大的噴氣力矩才能使自旋軸進動，加上姿態控制精度要求不高，因此可採用較大推力的肼推力器，中國為20 N推力，而國際上常為22．5 N推力。

2)控制衛星自旋軸的進動，只需要一台推力器，稱為軸向推力器；還要一台控制衛星轉速的切向推力器和另一台控制衛星軌道機動的徑向推力器。考慮到備份，推進系統共需6台推力器。

3)自旋衛星的推進劑管理，可利用衛星自旋產生的離心力，使氣液分離。這種方法結構簡單，質量小。

自旋穩定衛星的姿態機動，按執行機構不同分為磁機動與噴氣機動。下面先討論磁機動問題。自旋穩定衛星的磁機動，一般說來是通過自旋軸磁矩進行定向控制，即控制赤經赤緯達到姿態機動；通過自旋平面磁矩進行幅值控制達到動量機動。對自旋軸磁矩控制而言，赤經赤緯的時間變化率與地磁場矢量的X分量和y分量以兩倍軌道角速率的振蕩密切相關。因此為了有效地控制赤經赤緯運動，磁線圈的電流應該作相應切換以與地磁矢量的變化同步，線圈極性通過衛星上的定時裝置在每圈軌道運行中切換四次。這就是1965年1月發射的TIROS-9衛星在磁設計上所作的重大改進。由於在四分之一軌道點上線圈極性要改變一次，故稱四分之一軌道磁控。

為了使磁控系統具有較大的靈活性，磁控硬體應具有能控制初始相位、極性及周期切換的能力。早期發射的衛星，磁控的實現多半通過星一地大迴路來進行，這樣給地面台站增大了負擔。後來為緩解這個矛盾，在星上裝備延時指令系統。在衛星通過地面站上空時，把預先選好的改變線圈狀態的指令程序注入星上存儲器。

消除自旋衛星的章動就是使衛星保持純自旋狀態，即自旋軸與總角動量向量重合。按照是否消耗衛星所帶的能源（電能或化學能），章動阻尼分為被動式和主動式兩種：

①被動章動阻尼：阻尼器含有可活動的阻尼工質。章動使星體內各點的離心力發生周期性變化，激勵阻尼工質產生相對運動，耗散章動的動能使章動角變小。被動章動阻尼器的種類很多，如擺式、管球式和液體環式等。它們的主要區別在於阻尼工質的類型(固體或液體)、阻尼工質的支撐方式（軸承懸掛或封閉容器）、阻尼方式（粘滯流體或磁渦流）和恢復力的性質（向心力或機械彈簧力）。

②主動章動阻尼：主動章動阻尼裝置由章動敏感器、控制線路和執行機構組成。章動敏感器測出章動相位。通過控制線路使執行機構作用在衛星上的橫向力矩與衛星橫向角速度的方向相反，從而消除章動。執行機構有兩種。一種是噴氣執行機構，由於星上燃料有限，噴氣章動阻尼只能在短時間內使用；另一種是消旋電機，它使雙自旋衛星消旋平台的軸向轉速發生微小變化，通過平台本身的慣量積產生橫向耦合力矩。

當外部干擾力矩使自旋衛星的角動量有較大變化時，可用主動控制方式（如噴氣）加以調節。

如果要把自旋軸從初始方向機動到給定的目標方向，可採用脈衝式噴氣控制。衛星自旋一周，噴管噴一次氣。產生的橫向力矩使衛星的角動量進動一次。由於噴氣衝量很小，自旋軸與角動量矢量基本一致，跟隨角動量一起進動。自旋軸方向的機動控制的主要任務是確定噴氣脈衝的相位，保證自旋軸能機動到目標方向上，通常採用等傾角控制法來解決這個問題。

自旋穩定氣象衛星通過自轉完成對地觀測，自南向北逐條掃描獲取觀測數據，每掃描一條獲得一次數據，一張地球全圓盤圖像需掃描2500條。衛星的自旋速度為每分鐘100轉，即每分鐘掃描100條線。在衛星工作方式及控制、穩定等要求下，一幅全圓盤圖像需掃描30分鐘左右。這樣不僅觀測時效低，而且不易追蹤颱風、暴雨等強對流天氣的發生髮展趨勢，因此對滿足氣象觀測精細化的需求，多少有些力不從心。