航天器控制系统

控制航天器轨道和姿态的整套设备。航天器控制包括姿态控制(见航天器姿态控制)和轨道控制(见航天器轨道控制)。早期的人造地球卫星大多采用自旋稳定(见人造卫星自旋稳定)和重力梯度稳定的被动姿态控制方法。后来逐步演变到采用既有姿态控制能力又有轨道控制能力的控制系统。姿态控制已由被动控制发展为半主动控制和主动控制。三轴姿态控制(见航天器三轴姿态控制)已经在对地观测卫星、通信卫星载人飞船航天飞机上成功地得到了应用。“阿波罗”号飞船登月飞行和航天器之间的交会和对接成功表明航天器的控制技术进入了新阶段。

航天器控制系统工作时间长、精度要求高、环境特殊,并且受到重量和能量消耗等条件的限制,在系统结构上与运载火箭的控制系统有较大的差别。航天器控制系统的元部件,除惯性器件、喷气执行机构、中间线路、控制计算机外,还有太阳敏感器地球敏感器恒星敏感器等光学敏感器、各种长期工作的低推力推进器、角动量存贮装置(见航天器姿态控制执行机构)。

航天器是一个有交叉耦合的多自由度(即多个状态变量)的系统,各种测量值和系统状态又是间接相关的,在系统和测量中存在各种干扰因素。为了解决这些复杂的控制问题,从50年代开始,逐渐建立起一套比较完整的现代控制理论,包括多变量控制、统计滤波、最优控制和随机控制等,从而使航天器控制系统的设计有了理论依据。

航天飞机在轨道上释放、回收和修理卫星需要各种机械臂或机器人参加工作。这些装置虽然由航天员操纵,但它们自身也都配有相应的控制系统和视觉与力觉反馈系统。航天员在舱外活动时乘坐的载人机动装置也有一个控制系统,航天员可以通过手控喷气推进器来实现空间机动。

未来的航天站将由航天飞机运送各种模块组装而成,有许多设备需要进行控制。航天站上各种挠性体的稳定、站上各种观测仪器的定向控制以及航天飞机与航天站停靠引起的扰动力矩等,要求航天站有一个多级的和分布式的控制系统。航天站的系统结构和控制可以在轨道上经常改变,因此它的控制系统必须具有自适应的能力。航天站在释放和回收载人的或不载人的航天器时,这些航天器的控制必须与航天站的控制互相协调,使这些活动不致对航天站产生扰动。

在星际航行中,将要求航天器具有自主性(即不依赖于地面设备)更强、精度更高,并具有自动维修能力的控制系统。