天和核心舱外边的CMG
不仅如此,“问天”实验舱里也装有几个这样的陀螺,它们同样用于姿态控制。
我们经常在电视里看到天宫空间站,它都是以“腹部”对着地球、“背部”朝向太空(又称“天顶”)。但是你知道吗?无论我们向太空发射什么样的航天器,它都不会保持其中一面朝向地面,从地面看上去它是每飞一圈翻一个“跟斗”。
卫星会保持自己的角动量
太空中飞行的所有物体,在没有外力作用时都会保持自己的角动量,这是物体的基本特性。
为了维持对地观测与通信,空间站需要将一部分天线始终指向地面,而另一些天线始终向上对着地球同步轨道卫星;天宫空间站以41.58°的倾角绕地球飞行,也需要将最坚固的部分始终朝向可能有流星撞击的方向。加上其它一些因素,我们需要让它始终以“腹部”朝向地球。其实上对于空间站自身而言,它每绕地球转一圈都要翻一个跟斗。
空间站每绕地球一周就要翻个跟斗
有朋友说,这很简单啊,我们只需要在空间站的前面向下施加一个力,让它每90分钟翻转360°,这样从地面看起来就始终是肚皮朝下了。
这是个很聪明的想法。同时我们还需要考虑到空间站其实是在稀薄的空气中飞行,为了将巨大的太阳翼始终对着太阳,它需要让太阳帆板旋转,这个旋转的力会作用到空间站自身,并且它受到空气阻力每一刻都在发生变化。
另外,飞船的对接与脱离、空间站里航天员的每一次移动都会将力量传递给空间站,从而改变它的姿态,尽管有时候力量很轻微,却依然会对太空微重力实验造成干扰,所以我们需要经常性地启动发动机来控制空间站的姿态。
天舟飞船启动姿态控制发动机调姿
开启姿态控制发动机就需要消耗燃料,国际空间站每绕地球转一圈要22公斤推进剂用来调整姿态,一天就得340公斤,尽管推进剂本身很便宜,但将它们送上太空却很昂贵,这钱烧不起。
使用力矩陀螺就可以解决这个问题。
陀螺在高速旋转时拥有稳定的角动量,当我们改变陀螺旋转轴的角度或速度时,因为系统动量矩平衡,它会向外输出一个反扭矩。