2. 执行机构分类与选型准则
航天器GNC系统的执行机构，是把控制律解算出的指令力矩/力矩冲量转换为真实物理作用的部件。不同执行机构在力矩量级、响应带宽、能量来源、寿命、质量、成本和控制精度上差异极大，因此选型不是“挑一个最好的”，而是“在任务约束下挑最匹配的”。本节先建立五类主流执行机构的对比框架，再给出任务需求驱动的选型流程，最后用两个典型航天器配置案例说明如何落地。
五类执行机构的物理本质与适用边界
动量轮（Reaction Wheel, RW）依靠电机驱动飞轮加速/减速，通过角动量交换产生反作用力矩。它只与航天器本体交换角动量，不消耗工质，适合长期连续的姿态稳定与小幅机动。典型参数：角动量0.1～50 N·m·s，最大输出力矩0.01～0.5 N·m，转速范围±3000～±6000 r/min。局限是存在饱和——当飞轮转速达到上限，必须用其他执行机构卸载。
控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope, CMG）同样有高速转子，但通过框架转动改变角动量矢量方向，输出力矩是陀螺力矩，量级可达数百甚至上千N·m。单框架CMG的力矩约为框架角速度与转子角动量的叉乘，因此“小框架电机”可撬动“大力矩”。代价是存在奇异面，需要操纵律规避。CMG适合大型空间站、大型遥感卫星等需要快速大角度机动的平台。
磁力矩器（Magnetorquer）由通电线圈与地磁场相互作用产生力矩，力矩大小与轨道高度的地磁场强度平方相关。近地轨道（400～800 km）地磁场约2×10⁻⁵～4×10⁻⁵ T，配合10～100 A·m²的磁矩可产生10⁻⁵～10⁻³ N·m量级力矩。它不消耗工质、结构简单，但力矩小、受轨道位置影响大，通常用于动量轮卸载、速率阻尼和低精度姿态控制，不能作为高精度快速机动的唯一执行机构。
推力器（Thruster）包括冷气、单组元、双组元化学推力器及电推力器，通过喷射工质产生推力，再经力臂形成力矩。优点是力矩大、响应快、不受饱和限制；缺点是消耗工质、存在最小脉冲冲量（MIB）导致的极限环，且羽流可能污染光学载荷。常用于轨道机动、大角度快速姿态捕获、动量卸载和安全模式。
舵机（Servo/Control Surface Actuator）主要出现在再入飞行器、大气层内飞行器或带气动舵面的航天器上，通过偏转舵面改变气动力矩。它依赖动压，在真空段无效，因此只作为大气层内段的执行机构。
任务需求驱动的选型流程
选型的核心是把任务需求翻译成执行机构的能力指标。建议按以下顺序推进：
- 明确控制目标：是姿态稳定（如对地定向精度0.01°）、姿态机动（如90°机动时间300 s）、还是轨道控制？目标决定所需力矩量级和角动量储备。
- 计算力矩与角动量需求：由干扰力矩（气动、太阳光压、重力梯度、磁干扰）和机动角加速度需求，估算最大力矩T_max和单圈角动量积累ΔH。例如某对地观测卫星干扰力矩约5×10⁻⁴ N·m，要求姿态稳定度0.005°/s，则动量轮角动量至少需覆盖一个轨道周期的积累量。
- 确定卸载方式：若选用动量轮，必须同时确定卸载执行机构。近地轨道优先磁力矩器，深空或高精度任务可用推力器。
- 评估约束：质量、功耗、体积、寿命、可靠性、成本、羽流污染、电磁兼容。CMG力矩大但质量功耗高、有奇异；磁力矩器轻但力矩小；推力器消耗工质但力矩大。
- 冗余与构型：通常采用3正交+1斜装或4斜装动量轮构型，保证单轮失效后仍能三轴控制。磁力矩器常三轴正交布置。推力器按力矩需求成对布置。
典型航天器配置案例
案例一：近地小型对地观测卫星（约200 kg，500 km太阳同步轨道）。姿态精度要求0.05°，具备±30°侧摆机动能力。选型结果：3台0.5 N·m·s动量轮正交安装，最大力矩0.05 N·m；3轴磁力矩器（磁矩25 A·m²）用于动量卸载；1组冷气推力器用于初始速率阻尼和安全模式。该配置不追求大力矩，而是用磁力矩器实现长期免工质卸载，寿命可达5年以上。
案例二：大型空间站舱段（约20 t）。需要连续姿态稳定并支持货运飞船交会对接时的大角度机动。选型结果：4台单框架CMG，每台角动量约1500 N·m·s，最大输出力矩约200 N·m；配合磁力矩器和推力器进行CMG卸载与安全模式控制。CMG提供大力矩和快速机动能力，但操纵律必须处理奇异，通常采用伪逆加零运动规避。
两个案例说明：小卫星倾向“动量轮+磁力矩器”的低成本长寿命组合，大型平台倾向“CMG+推力器”的大力矩组合。选型的本质是任务需求、物理约束和工程成本的折中。
从上述对比和案例可以看出，执行机构选型没有“万能解”。动量轮和CMG属于角动量交换类，适合长期姿态控制但需要卸载；磁力矩器和推力器属于外力/外力矩类，适合卸载和机动但各有代价；舵机只在特定飞行段有效。工程上最常见的做法是组合使用：用动量轮或CMG承担日常姿态控制，用磁力矩器或推力器完成卸载和应急，用推力器覆盖轨道机动和安全模式。选型流程的每一步都要有量化依据，最终通过控制仿真确认稳定度、机动时间和卸载周期是否满足任务指标，不满足则回退调整角动量或力矩余量。