重力梯度稳定

重力梯度稳定（ gravity gradient stabilization ），利用重力梯度力矩来稳定航天器空间姿态的技术。绕地球运行的航天器各部分质量所受到的不相等引力等因素所产生的力矩称为重力梯度力矩。重力梯度稳定系统能使航天器的纵轴指向地心。重力梯度稳定技术在60年代得到了广泛应用，特别是用于导航卫星。图1是一颗具有铰链式伸展杆的重力梯度稳定卫星。

原理

当航天器绕地球作轨道运行时，地心对航天器各部分质量有不同的引力，同时它们也有不同的离心力。引力和离心力的合力称为重力。图2中的哑铃式卫星可以直观地说明航天器重力梯度稳定的原理。设哑铃式卫星的纵轴在轨道平面（俯仰平面）内偏离当地铅垂线，哑铃两端的质量相等(m1=m2)。由于m1离地心较近，所以它所受的引力比离心力大，重力指向地心。m2受到的引力比离心力小，所以重心背向地心。而哑铃中点O的重力为零（失重）。这样就形成了一个绕O点的恢复力矩(即重力梯度力矩)。月球有一面总是朝着地球这个自然现象就是重力梯度稳定的一个例子。

系统组成和特点

重力梯度稳定系统主要由伸展结构（重力杆）和阻尼器组成。伸展结构是一根或数根在末端带有质量的可伸展的杆。航天器入轨后伸出重力杆，可使航天器各轴转动惯量之差达到几十倍甚至百倍以上。重力梯度力矩的大小除与轨道高度和形状有关外，还与航天器各轴转动惯量之差有关。各轴转动惯量差别越大，姿态稳定越好。最小惯量轴稳定在当地铅垂线方向，最大惯量轴稳定在轨道平面的法线（俯仰轴）方向。这个状态就是重力梯度卫星的稳定的平衡姿态。

重力梯度力矩虽然可以稳定航天器的姿态，但是它会使航天器像一个单摆那样绕最大惯量轴不停地摆动。这种周期性的摆动称为天平动。为了提高指向精度，必须对天平动进行阻尼。通常采用不需要外部能源的被动天平动阻尼器。这种阻尼器利用航天器在摆动时所产生的诸如机械滞后、磁滞、涡流、粘性摩擦等作用来消耗摆动的动量，以达到阻尼的目的。

重力梯度力矩很小，在设计重力梯度稳定的航天器时，应该消除和限制其他扰动力矩源。重力梯度稳定卫星的最佳轨道高度约为1000公里，而且要求采用圆轨道或者偏心率很小的轨道。

重力梯度稳定的优点是不消耗能量，系统结构简单、经济、可靠，适合于长期运行，然而指向精度较低，一般只能达到1°～5°。

重力梯度姿态稳定的原理也适用于绕其他天体运行的人造卫星。例如1973年发射的“射电天文探险者”2号就是一颗绕月球轨道运行的重力梯度稳定卫星。

现代单纯采用重力梯度稳定的航天器已经不多，主要原因是指向精度不高。提高伸展结构的刚度和直度是提高重力梯度稳定卫星指向精度的主要途径。重力梯度力矩几乎对所有的卫星都有影响，若不把它用作稳定力矩，就必然成为扰动力矩。（见航天器姿态控制）