單自旋穩定 簡稱自旋穩定，是一種被動姿態穩定（見太空飛行器姿態控制）。早期的人造地球衛星大多是自旋（繞一個主慣量軸恆速旋轉）穩定的。當星體自旋角動量足夠大時，在環境干擾力矩作用下角動量方向的漂移非常緩慢。這種特性就是所謂陀螺定軸性。衛星恆速自旋時自旋軸方向與角動量方向一致。剛體動力學證明：當剛體繞最大主慣量軸或最小主慣量軸自旋時，都具有陀螺定軸性。但是實際的衛星不是剛體。衛星包含彈性部件，並裝有姿態控制和軌道控制所需要的液體燃料。對於其標稱自旋軸是最小主慣量軸的衛星，當自旋軸與總角動量向量不重合而產生章動時，自旋軸就繞總角動量向量轉動。這會引起衛星中彈性部件振動和液體燃料在燃料箱內晃動,這些運動都要消耗衛星的轉動動能,衛星的運動終將趨於最小動能狀態。在角動量守恆的情況下，最小動能狀態就是衛星繞最大主慣量軸旋轉的狀態。也就是說，當衛星繞最小主慣量軸自旋且有內部機械能耗散時，標稱自旋軸將在空間翻轉。因此，衛星的自旋軸必須是最大主慣量軸，這就是設計自旋衛星時必須遵循的最大主慣量準則（見太空飛行器姿態動力學）。在人造衛星的機動變軌和行星際太空飛行器的中途軌道修正中，也可採用自旋穩定來保持推力方向的穩定。
基本介紹
- 中文名：人造衛星自旋穩定
- 別名：自旋穩定
- 對象：動量守恆
- 屬性：消耗衛星的轉動動能
保持人造地球衛星自旋軸在空間定向的技術，包括單自旋穩定和雙自旋穩定。
雙自旋穩定是一種半主動姿態控制。多用於通信衛星。雙自旋穩定衛星由轉子和消旋平台兩部分組成，兩者通過軸和軸承連線起來。衛星中的大部分輔助系統都放在轉子中，轉子的質量比平台的大得多。轉子恆速自旋使衛星自旋軸的姿態保持穩定。裝在轉子上的電動機使平台作反方向旋轉。當平台相對於轉子的轉速與轉子的轉速相等時，平台即實現了消旋。這時平台上的有效載荷（如探測儀器、通信天線等）將穩定地對地定向。隨著衛星套用技術的發展，衛星需要獲得更多的太陽能，因而要求擴大裝有太陽電池片的圓筒形轉子的表面積。轉子的直徑受到運載火箭外形尺寸的限制，因而只能增加圓筒的高度，使轉子呈細長形。這時轉子的自旋軸成為最小主慣量軸，它不再具有陀螺定軸性。在這種情況下，保持自旋軸穩定的最簡單有效的方法是在消旋平台上安裝高效率的章動阻尼器。當衛星出現章動時，阻尼器內部可動工質（工作介質）的運動對衛星產生反作用力矩。由於平台不跟隨轉子旋轉，所以此反作用力矩就能消除衛星的橫向角速率，使整個平台對雙自旋衛星自旋軸的定向起鎮定作用。
章動阻尼消除自旋衛星的章動就是使衛星保持純自旋狀態，即自旋軸與總角動量向量重合。按照是否消耗衛星所帶的能源（電能或化學能），章動阻尼分為被動式和主動式兩種：
①被動章動阻尼：阻尼器含有可活動的阻尼工質。章動使星體內各點的離心力發生周期性變化，激勵阻尼工質產生相對運動，耗散章動的動能使章動角變小。被動章動阻尼器的種類很多，如擺式、管球式和液體環式等。它們的主要區別在於阻尼工質的類型(固體或液體)、阻尼工質的支撐方式（軸承懸掛或封閉容器）、阻尼方式（粘滯流體或磁渦流）和恢復力的性質（向心力或機械彈簧力）。
②主動章動阻尼：主動章動阻尼裝置由章動敏感器、控制線路和執行機構組成。章動敏感器測出章動相位。通過控制線路使執行機構作用在衛星上的橫向力矩與衛星橫向角速度的方向相反，從而消除章動。執行機構有兩種。一種是噴氣執行機構，由於星上燃料有限，噴氣章動阻尼只能在短時間內使用；另一種是消旋電機，它使雙自旋衛星消旋平台的軸向轉速發生微小變化，通過平台本身的慣量積產生橫向耦合力矩。
當外部干擾力矩使自旋衛星的角動量有較大變化時，可用主動控制方式（如噴氣）加以調節。
如果要把自旋軸從初始方向機動到給定的目標方向，可採用脈衝式噴氣控制。衛星自旋一周，噴管噴一次氣。產生的橫向力矩使衛星的角動量進動一次。由於噴氣衝量很小，自旋軸與角動量矢量基本一致，跟隨角動量一起進動。自旋軸方向的機動控制的主要任務是確定噴氣脈衝的相位，保證自旋軸能機動到目標方向上，通常採用等傾角控制法來解決這個問題。
