零推进剂机动

零推进剂机动（ZPM）是一种航天器姿态控制技术，而非商业品牌或企业产品。它使用动量存储执行器（如反作用轮或控制力矩陀螺仪），结合航天器自身的环境动力学，在不消耗推进剂的情况下完成旋转操作。该方法适用于需要改变方向、抑制不需要的角速度或卸载累积动量，同时保留星上有限推进剂储备的航天器。 航天器通常使用反作用轮或控制力矩陀螺仪进行旋转和指向。这些设备由电能驱动，在常规操作中不消耗推进剂，但存在容量限制。外部干扰力矩，包括重力梯度效应、太阳辐射压力、大气阻力及其他环境影响，会逐渐增加存储设备的角动量。当设备饱和时，它们无法再提供所需的姿态控制力矩。传统航天器随后会点火推进器以卸载或去饱和存储的动量。推进器点火消耗的有限资源也用于轨道维持和再推进操作。 ZPM通过选择一条非本征轴的姿态路径来利用航天器的自然动力学，从而解决这一限制。与传统的本征轴机动（通常遵循两个方向之间的最短角路径，并保持固定的旋转轴和机动速率）不同，ZPM允许旋转轴和速率随时间变化。由此产生的轨迹可能覆盖更大的角距离并耗时更长，但可以避免动量存储执行器饱和，并在旋转机动期间无需推进剂。同样的通用优化也可以减少（但不一定消除）依赖推进器的航天器的推进剂消耗；这种相关应用被称为减少推进剂机动。 轨迹通过求解指定机动持续时间的非线性两点边值最优控制问题生成。优化结合了航天器的姿态动力学、执行器限制、环境扰动以及期望的初始和最终方向。一个有用的类比是帆船通过利用风力而非发动机来改变航向：路线不是最短路径，但避免了消耗储存的燃料。在航天器中，环境力扮演风的角色，而动量存储执行器提供塑造姿态路径的可控机制。 该技术于2000年代中期在国际空间站上得到验证。2006年11月5日进行了一次90度机动，耗时约两小时。2007年3月3日进行了180度机动，耗时约两小时47分钟。相关的优化控制问题使用DIDO软件求解。国际空间站的演示表明，无需传统推进剂消耗即可完成大角度姿态变化。该方法的底层公式由Jesse Pietz在学术工作中开发，而Sagar Bhatt在硕士论文研究中开发了90度国际空间站演示。

零推进剂机动的工程原理源于航天器有限的推进剂预算。推进剂既用于维持轨道，也用于姿态相关任务，如动量卸载。由于推进剂必须从地球发射且通常无法补充，其消耗直接限制了航天器可进行的再推进、去饱和和其他操作的数量。因此，延长航天器使用寿命部分取决于减少不必要的推进剂消耗。 航天器的旋转控制通常由反作用轮或控制力矩陀螺仪提供。这些电动动量存储执行器可以在不点火推进器的情况下指向航天器，但当它们抵抗持续干扰力矩时会累积角动量。重力梯度力、太阳辐射压力、大气阻力和其他环境效应会逐渐使执行器饱和。一旦存储容量耗尽，航天器将无法仅通过这些设备产生所需的姿态控制力矩。传统操作通过点火推进器卸载存储的动量来应对。 ZPM概念改变姿态轨迹，而不是试图迫使航天器沿传统最短角路径运动。标准本征轴旋转通常使用固定轴和固定机动速率。这种简单路径可能要求执行器持续抵抗环境力矩，即使对于相对较小的旋转也会导致饱和。零推进剂轨迹则改变旋转轴和机动速率，并有意利用航天器的环境动力学。因此，它通常是一条更长更慢的路径，但可以避免需要消耗推进剂的执行器饱和。 在数学上，ZPM通过求解具有指定边界条件和固定机动结束时间的非线性最优控制问题获得。解提供时变姿态和速率指令，使航天器从初始方向到达最终方向，同时满足相关动力学和执行器约束。该方法类似于通过改变航向来逆风航行：车辆不遵循几何最短路径，而是利用可用的环境力而不是依赖发动机。 该技术是在与航天器姿态控制相关的研究中开发和应用的。Jesse Pietz在硕士论文中制定并解决了用于国际空间站演示的最优控制问题。Sagar Bhatt在另一个硕士论文项目中开发了90度国际空间站零推进剂机动。DIDO软件用于求解国际空间站操作的最优控制问题。 首次报道的国际空间站演示于2006年11月5日进行，当时空间站在约两小时内完成了90度旋转。2007年3月3日，空间站进行了180度机动，耗时约两小时47分钟。这些演示提供了操作证据，表明可以在不使用推进器进行旋转机动的情况下规划大角度姿态变化。更广泛的原理也可以适用于配备推进器的航天器，以最小化而非完全消除推进剂消耗；这种相关方法被称为减少推进剂机动。

• 2007

  国际空间站进行更大角度演示

  [1]Zero-propellant maneuveren.wikipedia.org

  2007年3月3日，国际空间站在约两小时47分钟内完成了180度零推进剂机动。

• 2006

  首次报道的国际空间站零推进剂机动

  [1]Zero-propellant maneuveren.wikipedia.org

  2006年11月5日，国际空间站在约两小时内执行了90度零推进剂机动。

一种节省燃料的航天器姿态控制方法，以牺牲最短或最快旋转路径为代价，减少推进剂使用和动量执行器饱和。

• 航天器姿态控制方法

  零推进剂机动轨迹

  一种优化的非本征轴姿态轨迹，用于在不点火推进器的情况下旋转或稳定航天器。它利用动量存储执行器和航天器的环境动力学（如重力梯度、太阳压力或气动效应）来防止执行器饱和并节省推进剂。该路径通常改变其旋转轴和机动速率，比传统最短角本征轴机动耗时更长。

• 航天器机动优化

  减少推进剂机动

  同一轨迹优化思想对仍使用推进器的航天器的相关应用。减少推进剂机动并非完全消除推进剂使用，而是通过选择与航天器动力学和执行器能力相匹配的路径，最小化姿态操作所需的推进剂量。

1. 1Zero-propellant maneuveren.wikipedia.org