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如何利用控制力矩陀螺来改变太空船的姿态？
在太空探测中，姿态控制是确保太空船正常运行的关键技术之一。控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope, CMG）是这方面的重要设备，透过操作其旋转的转子，CMG能够有效地改变太空船的姿态。这篇文章将探讨CMG的工作原理、设计变种及其潜在问题，并分析其在太空任务中的应用。
CMG的基本原理
控制力矩陀螺的基本原理涉及一个快速旋转的转子及其可动的卡榫。当转子的角动量发生变化时，会产生一个陀螺力矩，进而推动太空船转动。与反应轮不同，CMG能够在不改变旋转速度的情况下，透过倾斜转子的旋转轴来产生力矩，因此它的能效更高。
CMGs的功耗可以保持在几百瓦，而在相似性能的情况下，反应轮则需要数兆瓦的能量。
CMG的设计变种
单卡榫与双卡榫设计
单卡榫CMG是最有效的设计之一。当卡榫运动时，转子的角动量方向改变，这一变化会对太空船施加力矩，从而改变其姿态。而双卡榫设计则具有更高的灵活性，可以在任意方向指向转子的角动量矢量，但所需的功率通常高于单卡榫设计。
如果太空船只是需要以质量效益的方式储存角动量，双卡榫CMG无疑是很好的选择。
潜在的问题
奇异性
即使使用了多个CMG，卡榫的运动仍有可能导致相对取向无法产生可用的力矩，这种情况称为奇异性。为避免这些奇异性，许多技术方案被提出并进行研究。
饱和状态
当一组CMG变得饱和时，它们在特定方向上已经储存了最大量的角动量，无法进一步进行控制。这通常发生在太空船遭遇瞬时不想要的扭矩时，因此需要采用反应控制系统（RCS）喷嘴来释放过多的角动量，以恢复控制效果。
太空应用
太空站的角色
CMG在国际太空站（ISS）等大型太空站中担任核心功能，协助维持其相对于地球的固定姿态。透过将CMG的角动量管理系统结合重力梯度、气流阻力等影响，ISS能够有效地应用CMGs在无需大量推进剂的情况下调整姿态。
未来的潜力
随着技术的进步，未来还可能在其他类型的空间任务中看到CMGs的应用，例如将新型的科学和能源模块整合到现有系统中。这些将会是如何改变航天任务的关键？
