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如何利用控制力矩陀螺來改變太空船的姿態？
在太空探測中，姿態控制是確保太空船正常運行的關鍵技術之一。控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope, CMG）是這方面的重要設備，透過操作其旋轉的轉子，CMG能夠有效地改變太空船的姿態。這篇文章將探討CMG的工作原理、設計變種及其潛在問題，並分析其在太空任務中的應用。
CMG的基本原理
控制力矩陀螺的基本原理涉及一個快速旋轉的轉子及其可動的卡榫。當轉子的角動量發生變化時，會產生一個陀螺力矩，進而推動太空船轉動。與反應輪不同，CMG能夠在不改變旋轉速度的情況下，透過傾斜轉子的旋轉軸來產生力矩，因此它的能效更高。
CMGs的功耗可以保持在幾百瓦，而在相似性能的情況下，反應輪則需要數兆瓦的能量。
CMG的設計變種
單卡榫與雙卡榫設計
單卡榫CMG是最有效的設計之一。當卡榫運動時，轉子的角動量方向改變，這一變化會對太空船施加力矩，從而改變其姿態。而雙卡榫設計則具有更高的靈活性，可以在任意方向指向轉子的角動量矢量，但所需的功率通常高於單卡榫設計。
如果太空船只是需要以質量效益的方式儲存角動量，雙卡榫CMG無疑是很好的選擇。
潛在的問題
奇異性
即使使用了多個CMG，卡榫的運動仍有可能導致相對取向無法產生可用的力矩，這種情況稱為奇異性。為避免這些奇異性，許多技術方案被提出並進行研究。
飽和狀態
當一組CMG變得飽和時，它們在特定方向上已經儲存了最大量的角動量，無法進一步進行控制。這通常發生在太空船遭遇瞬時不想要的扭矩時，因此需要採用反應控制系統（RCS）噴嘴來釋放過多的角動量，以恢復控制效果。
太空應用
太空站的角色
CMG在國際太空站（ISS）等大型太空站中擔任核心功能，協助維持其相對於地球的固定姿態。透過將CMG的角動量管理系統結合重力梯度、氣流阻力等影響，ISS能夠有效地應用CMGs在無需大量推進劑的情況下調整姿態。
未來的潛力
隨著技術的進步，未來還可能在其他類型的空間任務中看到CMGs的應用，例如將新型的科學和能源模塊整合到現有系統中。這些將會是如何改變航天任務的關鍵？
