中国空间站姿态控制机制：CMG与喷气控制在航天员出舱活动中的切换流程

中国空间站的姿态控制方式被明确划分为发动机喷气控制和CMG控制两种机制。

CMG全称是控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope），其工作原理是通过改变框架旋转来改变转子角动量方向，从而产生所需的控制力矩。中国空间站的天和核心舱和问天实验舱各配置了6个CMG单元。

与发动机喷气控制相比，CMG控制具有节省推进剂、且控制效果更精准、更柔顺的优势。在常规运行状态下，制导导航与控制（GNC）系统使用问天实验舱CMG群90%的角动量吸收能力；而在一般出舱活动时，该能力会提升至100%。

然而，当航天员出舱活动期间，如果空间站CMG的角动量不足以支撑后续动作，系统需要切换到发动机喷气控制来卸载掉CMG积累的角动量。这种模式切换是确保任务连续性的关键步骤。

使用发动机喷气控制进行姿态调整时，其原理是通过向外喷射推进剂产生反作用力来实现空间站姿态控制。但该控制方式的使用存在严格的安全限制：只有在确认航天员和机械臂均不在发动机羽流喷射范围内，并且机械臂处于锁定不运动模式下，才能启用发动机喷气控制。

关于角动量的卸载时机，资料指出可以在两个特定时间段内使用发动机喷气控制来卸载CMG积累的角动量：一是空间站飞出测控区前进行气闸舱向舱外泄压期间；二是打开出舱舱门之后。这体现了对任务流程和物理环境的精确匹配。

在更优化的操作时序上，专家建议采用分阶段切换策略。具体步骤包括：首先，空间站飞出测控区前，必须先将机械臂锁定，并将姿态控制方式切换为喷气控制；其次，在测控区外飞行期间利用喷气控制卸载角动量；最后，当空间站飞回测控区后，再切换回CMG控制模式，并允许机械臂继续运动。

此外，为了减小出舱期间角动量积累的速率，一个重要的背景策略是预先确定空间站在一个轨道周期内重力梯度力矩与外界干扰力矩（主要是气动力矩）大致平衡的姿态，并将该稳定姿态作为整个出舱活动期间的标称姿态进行维持。

在极端情况下，如果出现飞行姿态不理想或帆板不对称转动等特殊情况，系统具备应急冗余能力。届时会启用核心舱冷备份的6个CMG，由制导导航与控制（GNC）控制器融合使用天和核心舱和问天实验舱共计12个CMG，从而使角动量吸收能力提升一倍，应对突发变化。