航天員“掄手臂”就能轉身，沒胳膊的衛星咋辦？

出品：科普中國

製作：徐鵬暉 （中國科學院國家空間科學中心）

監製：中國科學院計算機網路資訊中心

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，這也是時隔8年之後我國航天員再度進行太空授課。

三位航天員演示了太空轉身、水球開花等實驗，向我們展示了微重力環境下航天員們奇特生活方式的冰山一角。

太空授課直播現場 （圖片來源：新華社B站）

太空轉身為什麼這麼難？都是角動量在作怪

為何在地面上看起來如此平常的轉身動作，在太空中做起來卻如此困難呢？

這其實是角動量守恆原理的作用。角動量是描述物體轉動的一個參量，一般來說，物體質量越大、轉速越快、轉動半徑越大，角動量越大。而角動量守恆是指一個物體在轉動時，如果不受外力作用或者外力扭轉作用為0，則角動量保持不變。

當人在太空中處於漂浮狀態時，在初始角動量為0（也就是靜止不旋轉）的情況下，如果不借助任何外部物體，是無法靠扭動身體轉起來的。航天員葉光富在實驗中的嘗試已經證明了這一點，而在地面上的我們則可以透過向地面借力的方法使自己轉起來。

△航天員葉光富在太空轉身實驗中嘗試透過轉動上半身讓自己旋轉起來，但失敗了（圖片來源：新華社B站）

在這次嘗試中有一個細節，葉光富在試圖轉動上半身時，下半身會自動往相反的方向轉。這是因為上半身轉起來時會產生一個角動量，而下半身會自動產生一個方向相反的角動量，抵消上半身轉動產生的角動量以實現守恆。但在此之後，由於腰椎和腰部肌肉的限制，上半身沒法繼續轉動了（畢竟人沒辦法讓上半身和下半身分離然後讓它們各自轉），嘗試就此失敗。

這給我們提供了一個新思路，我們只需要尋找身體上能自由全形度轉動的部位，然後讓它轉起來提供一個角動量，那麼身體主體就會產生一個相反的角動量從而轉起來。所以後來葉光富成功透過掄手臂的方式實現了轉身（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，成功實現轉身（圖片來源：新華社B站）

面臨“轉身”問題的除了航天員，還有它們

需要解決“轉身”問題的，除了航天員，還有在太空中飛行的衛星。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境下，衛星如何才能實現自主轉向？這個時候，從上次太空授課講述的陀螺定軸性衍生而來的單自旋穩定就顯得不夠用了。

單自旋穩定是早期人造衛星採用的一種姿控方式，它透過直接讓衛星整體自轉的方法保持衛星姿態穩定。但隨著太空任務內容的擴充套件，面對需要對地球定向以及高精度定向的需求時，單自旋穩定的姿控方式就有些力不從心。

△東方紅一號衛星就採用單自旋穩定作為姿控方式（圖片來源：中國航天博物館）

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

衛星被分為平臺和轉子兩個部分，兩者之間透過軸承連線。需要定向的載荷被放置在平臺上，而衛星的其他輔助系統則放在轉子中。工作時，轉子自身是旋轉的，而平臺則透過電機進行反向轉動，由此實現消旋。這種姿控方式一般在通訊衛星上比較常見，衛星搭載的通訊天線可以透過雙自旋穩定實現對地定向。

△風雲二號衛星採用的是雙自旋穩定（圖片來源：國家衛星氣象中心）

雙自旋穩定不是長久之計，還是得靠“掄手臂”

雖然雙自旋穩定很好使，但時間久了它的弊端也就暴露出來了。由於平臺相對較小，可安裝的載荷也較少。除此以外，採用雙自旋穩定的衛星，其太陽能電池只能貼在衛星表面安裝，太陽能利用效率低，衛星功率低。看來這個“轉身”方法並不是最優解，於是科學家們又想出了新點子。

和掄手臂同理，我們只需要一個能轉起來提供角動量的部件代替原來龐大的轉子，就可以讓平臺作為主體部分受控旋轉。這就是固定偏置動量三軸穩定姿控的原理。採用這種姿控方式的衛星，其內部安裝有一個偏置動量輪。工作時，動量輪保持旋轉，“持有”一定角動量，衛星平臺可根據需要與動量輪交換角動量，就像航天員調整掄手臂的速度以調整自己身體的轉速一樣，實現對地球或其他天體的定向和其他姿控要求。

△動量輪的作用和手臂類似，透過和主體交換角動量達到控制姿態的目的，只不過手臂在體外，而動量輪可以收到衛星平臺體內（圖片來源：作者結合影片截圖製作）

這個方法還能進一步擴充套件：我們可以增加動量輪的數量並將它們合理佈局，使衛星在任意三維方向上產生“自由”大小的角動量以供旋轉定向和姿控。這種方法大大提升了控制精度，衛星也變得更加靈活，因此被廣泛用於各種衛星的姿控分系統。

△ATS-6衛星是第一顆使用“三軸穩定”姿控方式的衛星（圖片來源：NASA）

在太空微重力環境下，很多在地面上看起來習以為常的事情都會呈現出不一樣的面貌。哪怕是“轉身”這樣看似不起眼的小事，也蘊含著和衛星姿控相關的基本原理。

相信太空中還有很多隱藏在“習以為常”外表下的未知，等待著我們去發現和探索。

致謝 ：

感謝中國科學院國家空間科學中心複雜航天系統電子資訊科技院重點實驗室高東副研究員對本文的科學稽核。

參考文獻：

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