神二十三出舱约 5.5 小时：官方详解中国空间站如何用 CMG 与喷气控制稳姿

据中国载人航天工程办公室信息，近期神二十三乘组完成了约 5.5 小时的出舱活动。对于长期在轨运行的中国空间站而言，航天员出舱不仅是安装、维修舱外设备和载荷的必要方式，也对空间站姿态控制提出了更高要求。来源显示，出舱期间空间站主要依靠两类手段保持稳定：一是发动机喷气控制，二是 CMG（控制力矩陀螺）控制。前者通过喷射推进剂产生反作用力调整姿态，后者则通过角动量交换实现更平滑的姿态调节。

CMG 是空间站“稳姿”的关键执行机构

CMG 全称为 Control Moment Gyroscope，即控制力矩陀螺，是航天器姿态控制系统中的重要执行机构。它通过转子高速旋转形成角动量，再借助框架转动改变角动量方向，从而输出控制力矩。通俗理解，CMG 像空间站内部的一组“平衡陀螺”，不需要像发动机那样持续消耗推进剂，就能帮助空间站维持或调整姿态。

官方介绍显示，中国空间站的天和核心舱和问天实验舱各配置 6 个 CMG。常规状态下，问天实验舱的 6 个 CMG 加电工作，核心舱的 6 个处于断电冷备状态。这样的配置既满足日常姿态控制，也为特殊任务和复杂工况提供冗余能力。

为什么出舱时不能总靠发动机喷气？

与喷气控制相比，CMG 控制的优势在于节省推进剂、控制更精准且更柔顺。这对航天员舱外作业尤其重要：出舱活动往往需要机械臂配合，航天员也会在舱外移动，空间站姿态越稳定，作业环境越可控。

但 CMG 并非没有限制。它能够吸收的角动量存在上限，当积累到一定程度后，就需要通过发动机喷气来“卸载”角动量。问题在于，喷气控制会产生羽流，必须确保航天员和机械臂不在喷射影响范围内，并且机械臂处于锁定不运动状态，才能使用。这意味着喷气卸载可能打断出舱流程，增加舱外活动时间。

因此，出舱期间的姿态控制并不是简单地在两种方式之间切换，而是要在安全、精度、推进剂消耗和任务连续性之间进行工程平衡。

四项角动量管理措施减少出舱中断

为减少 CMG 饱和以及喷气卸载对舱外任务的影响，科研团队提出了空间站角动量管理方法。根据官方说明，核心思路是让 CMG 在出舱活动中尽量少饱和、晚饱和，把必须进行的喷气卸载安排在对任务影响最小的时间段。

• 降低角动量初值：在气闸舱向外泄压、打开出舱舱门后的阶段，使用发动机喷气控制提前卸载 CMG 积累的角动量。此时航天员和机械臂尚不处于喷气羽流风险范围内，适合进行准备性卸载。
• 增大角动量上限：常规运行时，GNC 系统使用问天实验舱 CMG 群 90% 的角动量吸收能力；一般出舱活动可提升至 100%。如遇飞行姿态不理想、帆板不对称转动等特殊情况，还可启用核心舱冷备的 6 个 CMG，两舱共 12 个 CMG 融合使用，使角动量吸收能力提升一倍。
• 减少角动量积累：任务前会选取一个在轨道周期内尽量平衡重力梯度力矩与外界干扰力矩的姿态，作为出舱期间标称姿态，从源头降低角动量积累速度。
• 择机进行卸载：出舱期间优先在测控区外进行角动量卸载，因为这类时段通常不安排航天员或机械臂移动，可把对任务连续性的影响降到最低。

影响与解读：空间站运行正在进入精细化工程管理阶段

这次官方对 CMG 与喷气控制的介绍，展示的不只是单一设备能力，而是空间站在长期运行中对复杂任务的系统级调度能力。出舱活动看似聚焦航天员舱外操作，背后却涉及姿态控制、推进剂管理、机械臂安全边界、测控窗口安排和任务仿真等多个环节。

从科技产业角度看，这类控制逻辑也体现了高可靠自动化系统的典型特征：在有限资源、强安全约束和多任务目标之间实时协调。空间站的 GNC 系统需要根据姿态、角动量、外部干扰和任务时序进行决策，这与机器人、无人系统、复杂工业自动化中的控制与调度问题具有相通之处。

随着中国空间站进入常态化应用阶段，舱外维修、载荷安装和设备升级会越来越依赖这种精细化姿态管理能力。CMG 与喷气控制的协同，也将继续成为保障航天员安全作业和空间站长期稳定运行的重要基础。