增加飞轮变速自由度的变速控制力矩陀螺（VSCMG）无需增加额外硬件成本,除了能够有效规避单框架控制力矩陀螺（SGCMG）簇奇异、满足姿态控制（AC）任务要求外,变速飞轮还具有能量存储与释放功能,能同时满足一体化功率/姿态控制（IPAC）任务的要求。因此,VSCMG的研究与应用对于航天器角动量体姿态控制技术的发展具有重要的现实意义。VSCMG目前还处在实验室验证阶段,技术还不是很成熟,其中飞轮驱动功率过大是制约VSCMG实际应用的主要难题,本文重点研究了飞轮力矩需求最小的VSCMG簇操纵律设计以降低飞轮功率,在此基础上分别给出了可满足AC任务与IPAC任务要求的VSCMG簇参数优化设计方法。首先,对于存在飞轮调速上限与下限约束的VSCMG簇,在VSCMG簇角动量包络特性分析基础上,分别对VSCMG簇执行AC任务与IPAC任务存在的奇异及其可逃避性进行了分析,并通过分析奇异对VSCMG簇设计参数的约束关系,给出了VSCMG簇在上述任务下角动量交换特性及约束特性,为VSCMG簇参数优化设计问题提供了角动量尺寸与设计参数的关系。其次,根据SGCMG簇奇异特性分析结果,在典型工况下对典型操纵律进行了分析,分别揭示了加权伪逆操纵律、添加零运动加权伪逆操纵律以及具有飞轮转速平衡能力操纵律的操纵特性,并获得了各操纵律的飞轮需用力矩特性,该分析结果可为飞轮力矩需求最小的操纵律设计奠定基础。再次,对于执行AC任务的VSCMG簇,在重新设计期望飞轮平衡转速条件下,通过重新设计加权矩阵,提出了一种分时轮速均衡方法,给出了飞轮力矩需求最小的操纵律,实现了规避奇异和各飞轮转速趋于平均转速的目标;通过分析此操纵律,在不遭遇奇异条件下给出了飞轮力矩与陀螺力矩约束条件,最终以VSCMG簇可交换角动量空间最大和整机功率最小为目标,采用多目优化方法,解决了AC任务下VSCMG簇参数设计问题。其后,对于执行IPAC任务的VSCMG簇,以降低VSCMG簇的可交换角动量空间为代价,给出了飞轮功率需求最小的操纵律,实现了规避一体化功率/姿态控制系统（IPACS）奇异和各飞轮转速趋于平均转速的目标,达到了始终均匀分配各飞轮功率的目的;通过分析此操纵律,在不遭遇IPACS奇异条件下给出了飞轮力矩与陀螺力矩约束条件,最终以VSCMG簇可交换角动量空间最大和框架功率最小为目标,采用多目优化方法,解决了IPAC任务下VSCMG簇参数设计问题。最后,通过对所设计的VSCMG簇考虑储能与不考虑储能下系统性能对比分析,获得如下结论:对于AC任务下的VSCMG簇,只需要付出可交换角动量空间降低的代价,就能够在保证输出力矩不变条件下,实现一定的能量存储,但最多只容许一单元失效,会降低系统的性能;对于IPAC任务下的VSCMG簇,当放弃储能功能时,能够确保输出力矩不变,增大可交换角动量空间,最多容许两个单元失效。