2021年12月9日，“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站為廣大青少年帶來了一場精彩的太空科普課，這也是時(shí)隔8年之后我國航天員再度進(jìn)行太空授課。

　　三位航天員演示了太空轉(zhuǎn)身、水球開花等實(shí)驗(yàn)，向我們展示了微重力環(huán)境下航天員們奇特生活方式的冰山一角。

　　

　　太空授課直播現(xiàn)場

　?。▓D片來源：新華社B站）

　　太空轉(zhuǎn)身為什么這么難？都是角動(dòng)量在作怪

　　為何在地面上看起來如此平常的轉(zhuǎn)身動(dòng)作，在太空中做起來卻如此困難呢？

　　這其實(shí)是角動(dòng)量守恒原理的作用。角動(dòng)量是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)參量，一般來說，物體質(zhì)量越大、轉(zhuǎn)速越快、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑越大，角動(dòng)量越大。而角動(dòng)量守恒是指一個(gè)物體在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果不受外力作用或者外力總扭轉(zhuǎn)作用為0，則角動(dòng)量保持不變。

　　當(dāng)人在太空中處于漂浮狀態(tài)時(shí)，在初始角動(dòng)量為0（也就是靜止不旋轉(zhuǎn)）的情況下，如果不借助任何外部物體，是無法靠扭動(dòng)身體轉(zhuǎn)起來的。航天員葉光富在實(shí)驗(yàn)中的嘗試已經(jīng)證明了這一點(diǎn)，而在地面上的我們則可以通過向地面借力的方法使自己轉(zhuǎn)起來。

　　

　　航天員葉光富在太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)中嘗試通過轉(zhuǎn)動(dòng)上半身讓自己旋轉(zhuǎn)起來，但失敗了

　?。▓D片來源：新華社B站）

　　在這次嘗試中有一個(gè)細(xì)節(jié)，葉光富在試圖轉(zhuǎn)動(dòng)上半身時(shí)，下半身會(huì)自動(dòng)往相反的方向轉(zhuǎn)。這是因?yàn)樯习肷磙D(zhuǎn)起來時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)角動(dòng)量，而下半身會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)方向相反的角動(dòng)量，抵消上半身轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的角動(dòng)量以實(shí)現(xiàn)守恒。但在此之后，由于腰椎和腰部肌肉的限制，上半身沒法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了（畢竟人沒辦法讓上半身和下半身分離然后讓它們各自轉(zhuǎn)），嘗試就此失敗。

　　這給我們提供了一個(gè)新思路，我們只需要尋找身體上能自由全角度轉(zhuǎn)動(dòng)的部位，然后讓它轉(zhuǎn)起來提供一個(gè)角動(dòng)量，那么身體主體就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的角動(dòng)量從而轉(zhuǎn)起來。所以后來葉光富成功通過掄手臂的方式實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)身（同理你也可以嘗試掄大腿畫圓，不過那可能操作難度太大）。

　　

　　航天員葉光富嘗試掄右手手臂，成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身

　?。▓D片來源：新華社B站）

面臨“轉(zhuǎn)身”問題的除了航天員，還有它們

　　需要解決“轉(zhuǎn)身”問題的，除了航天員，還有在太空中飛行的衛(wèi)星。它們和航天員們的情況類似，在沒有其他東西可以依靠的環(huán)境下，衛(wèi)星如何才能實(shí)現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向？這個(gè)時(shí)候，從上次太空授課講述的陀螺定軸性衍生而來的單自旋穩(wěn)定就顯得不夠用了。

　　單自旋穩(wěn)定是早期人造衛(wèi)星采用的一種姿控方式，它通過直接讓衛(wèi)星整體自轉(zhuǎn)的方法保持衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定。但隨著太空任務(wù)內(nèi)容的擴(kuò)展，面對需要對地球定向以及高精度定向的需求時(shí)，單自旋穩(wěn)定的姿控方式就有些力不從心。

　　

　　東方紅一號(hào)衛(wèi)星就采用單自旋穩(wěn)定作為姿控方式

　　（圖片來源：中國航天博物館）

　　辦法總比困難多，科學(xué)家們很快就想出了雙自旋穩(wěn)定這種姿態(tài)控制方式。人體的限制讓我們沒法上半身和下半身分開轉(zhuǎn)，但衛(wèi)星是人造的嘛，我們可以把衛(wèi)星變成“上下半身分離的”，這樣問題不就解決了？

　　衛(wèi)星被分為平臺(tái)和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分，兩者之間通過軸承連接。需要定向的載荷被放置在平臺(tái)上，而衛(wèi)星的其他輔助系統(tǒng)則放在轉(zhuǎn)子中。工作時(shí)，轉(zhuǎn)子自身是旋轉(zhuǎn)的，而平臺(tái)則通過電機(jī)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)消旋。這種姿控方式一般在通信衛(wèi)星上比較常見，衛(wèi)星搭載的通訊天線可以通過雙自旋穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)對地定向。

　　

　　風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星采用的是雙自旋穩(wěn)定

　?。▓D片來源：國家衛(wèi)星氣象中心）

雙自旋穩(wěn)定不是長久之計(jì)，還是得靠“掄手臂”

　　雖然雙自旋穩(wěn)定很好使，但時(shí)間久了它的弊端也就暴露出來了。由于平臺(tái)相對較小，可安裝的載荷也較少。除此以外，采用雙自旋穩(wěn)定的衛(wèi)星，其太陽能電池只能貼在衛(wèi)星表面安裝，太陽能利用效率低，衛(wèi)星功率低?？磥磉@個(gè)“轉(zhuǎn)身”方法并不是最優(yōu)解，于是科學(xué)家們又想出了新點(diǎn)子。

　　和掄手臂同理，我們只需要一個(gè)能轉(zhuǎn)起來提供角動(dòng)量的部件代替原來龐大的轉(zhuǎn)子，就可以讓平臺(tái)作為主體部分受控旋轉(zhuǎn)。這就是固定偏置動(dòng)量三軸穩(wěn)定姿控的原理。采用這種姿控方式的衛(wèi)星，其內(nèi)部安裝有一個(gè)偏置動(dòng)量輪。工作時(shí)，動(dòng)量輪保持旋轉(zhuǎn)，“持有”一定角動(dòng)量，衛(wèi)星平臺(tái)可根據(jù)需要與動(dòng)量輪交換角動(dòng)量，就像航天員調(diào)整掄手臂的速度以調(diào)整自己身體的轉(zhuǎn)速一樣，實(shí)現(xiàn)對地球或其他天體的定向和其他姿控要求。

　　

　　動(dòng)量輪的作用和手臂類似，通過和主體交換角動(dòng)量達(dá)到控制姿態(tài)的目的，只不過手臂在體外，而動(dòng)量輪可以收到衛(wèi)星平臺(tái)體內(nèi)

　　（圖片來源：作者結(jié)合視頻截圖制作）

　　這個(gè)方法還能進(jìn)一步擴(kuò)展：我們可以增加動(dòng)量輪的數(shù)量并將它們合理布局，使衛(wèi)星在任意三維方向上產(chǎn)生“自由”大小的角動(dòng)量以供旋轉(zhuǎn)定向和姿控。這種方法大大提升了控制精度，衛(wèi)星也變得更加靈活，因此被廣泛用于各種衛(wèi)星的姿控分系統(tǒng)。

　　

　　ATS-6衛(wèi)星是第一顆使用“三軸穩(wěn)定”姿控方式的衛(wèi)星

　　（圖片來源：NASA）

　　在太空微重力環(huán)境下，很多在地面上看起來習(xí)以為常的事情都會(huì)呈現(xiàn)不一樣的面貌。哪怕是“轉(zhuǎn)身”這樣看似不起眼的小事，也蘊(yùn)含著和衛(wèi)星姿控相關(guān)的基本原理。

　　相信太空中還有很多隱藏在“習(xí)以為?！蓖獗硐碌奈粗?，等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和探索。

　　致謝 ：

　　感謝中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高東副研究員對本文的科學(xué)審核。

參考文獻(xiàn)：

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