重力梯度

重力梯度，利用重力梯度力矩來穩定太空飛行器空間姿態的技術。繞地球運行的太空飛行器各部分質量所受到的不相等引力等因素所產生的力矩稱為重力梯度力矩。重力梯度穩定系統能使太空飛行器的縱軸指向地心。

概念

重力梯度穩定技術在60年代得到了廣泛套用,特別是用於導航衛星。圖1是一顆具有鉸鏈式伸展桿的重力梯度穩定衛星。

重力梯度穩定原理

啞鈴式重力梯度

當太空飛行器繞地球作軌道運行時，地心對太空飛行器各部分質量有不同的引力，同時它們也有不同的離心力。引力和離心力的合力稱為重力。設啞鈴式衛星的縱軸在軌道平面（俯仰平面）內偏離當地鉛垂線，啞鈴兩端的質量相等(m1=m2)。由於m1離地心較近，所以它所受的引力比離心力大，重力指向地心。m2受到的引力比離心力小，所以重心背向地心。而啞鈴中點O的重力為零（失重）。這樣就形成了一個繞O點的恢復力矩(即重力梯度力矩)。月球有一面總是朝著地球這個自然現象就是重力梯度穩定的一個例子。

系統組成和特點

重力梯度穩定系統主要由伸展結構（重力桿）和阻尼器組成。伸展結構是一根或數根在末端帶有質量的可伸展的桿。太空飛行器入軌後伸出重力桿，可使太空飛行器各軸轉動慣量之差達到幾十倍甚至百倍以上。重力梯度力矩的大小除與軌道高度和形狀有關外，還與太空飛行器各軸轉動慣量之差有關。各軸轉動慣量差別越大，姿態穩定越好。最小慣量軸穩定在當地鉛垂線方向，最大慣量軸穩定在軌道平面的法線（俯仰軸）方向。這個狀態就是重力梯度衛星的穩定的平衡姿態。
重力梯度力矩雖然可以穩定太空飛行器的姿態，但是它會使太空飛行器像一個單擺那樣繞最大慣量軸不停地擺動。這種周期性的擺動稱為天平動。為了提高指向精度，必須對天平動進行阻尼。通常採用不需要外部能源的被動天平動阻尼器。這種阻尼器利用太空飛行器在擺動時所產生的諸如機械滯後、磁滯、渦流、粘性摩擦等作用來消耗擺動的動量，以達到阻尼的目的。
重力梯度力矩很小，在設計重力梯度穩定的太空飛行器時，應該消除和限制其他擾動力矩源。重力梯度穩定衛星的最佳軌道高度約為1000公里，而且要求採用圓軌道或者偏心率很小的軌道。
重力梯度穩定的優點是不消耗能量，系統結構簡單、經濟、可靠，適合於長期運行，然而指向精度較低，一般只能達到1°～5°。
重力梯度姿態穩定的原理也適用於繞其他天體運行的人造衛星。例如1973年發射的“射電天文探險者”2號就是一顆繞月球軌道運行的重力梯度穩定衛星。
現代單純採用重力梯度穩定的太空飛行器已經不多，主要原因是指向精度不高。提高伸展結構的剛度和直度是提高重力梯度穩定衛星指向精度的主要途徑。重力梯度力矩幾乎對所有的衛星都有影響，若不把它用作穩定力矩，就必然成為擾動力矩。

伸展結構

重力梯度穩定系統採用伸展結構（重力桿）和阻尼器使衛星的縱軸指向地心，實現衛星的穩定。伸展結構是一根或數根在末端帶有質量的可伸展的桿，它可使各軸的轉動慣量之差達到幾十倍、甚至幾百倍以上。重力梯度力矩雖然可以穩定衛星的姿態，但也會使衛星像一個單擺一樣繞最大主慣量軸不停地擺動。這種周期性的擺動稱為天平動。為提高重力梯度穩定衛星的對地指向精度，必須對天平動進行阻尼，採用的裝置通常是不需要外部能源的被動天平動阻尼器。