中國空間站“天和”核心艙為什麼裝了1噸重的6個鐵球?


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中國空間站“天和”核心艙為什麼裝了1噸重的6個鐵球?

空間站“天和”號核心艙成功發射,中國迎來星辰大海新時代!

關注空間站消息的朋友也許會注意到,“天和”號核心艙邊上鑲嵌了6個白色圓圓的球。那是雷達罩嗎?你錯了!那東西是鐵的,每個球重達一百多公斤,6個球加起來總重量接近1噸!

天和號上有6個球

你可能聽說過這樣的故事:由於火箭發射成本很高,在設計航天器時,技術人員會挖空心思來給航天器減重,因為每減少一克重量就意味著節省下許多燃料許多錢。既然如此,為什麼“天和”核心艙邊上要裝6個“鐵疙瘩”,難道只為了顯示咱種花家今天不差錢?

其實這6顆球既不是配重,更不是用來擺闊的裝飾,它的正式名字叫“控制力矩陀螺”。每一顆球裡邊密封著一個鋼製的飛輪,飛輪以每分鐘7000轉的速度旋轉,用來控制飛船的姿態。

指尖陀螺

不知道你有沒玩過指尖陀螺,這種小玩具前兩年很流行,它結構簡單也比較便宜,減壓,許多孩子和年輕人都愛玩。你若在陀螺高速旋轉的同時左右擺動它,手指會感覺到明顯的阻力。

這樣動你會感到阻力

學過運動力學的朋友大多知道,陀螺在旋轉的時候會有一個角動量,這個角動量讓它的旋轉軸保持一個固定的方向,如果沒有外力介入,這個陀螺久遠都不會改變旋轉角度;而當你改變這個陀螺旋轉軸角度時,它的角動量也會向你施加反作用力。這就是我們擺動陀螺時手指感到阻力的原因。

陀螺動輪會保持它旋轉軸的方向

陀螺運動還有個特點,那就是轉子越重、轉動的速度越快,它的轉動力矩就越大,也能輸出更大的反作用力。

言歸正傳,空間站要這些陀螺幹什麼用呢?簡單說就是:改變姿勢。

空間站在太空飛行,實際上它並不總是“肚皮朝下背朝天”,而是會每轉一圈翻個跟斗,你需要讓它相對於地面保持“穩定姿態”就得有個力“扳住它”;

空間站有許多運動的機構,艙內還有人,人在裡邊運動的時候會向艙壁施加力,你別看這個力不大,它足以改變空間站的運行姿態;

當空間站要跟飛船對接時,兩個航天器需要調整角度,並且互相施加力的影響;

有時候空間站會調整角度增加或者減少太陽照射、還要考慮規避大氣阻力和地球磁場影響。

在這些時候,你就需要啟動航天器不同部位的反推發動機,讓它噴氣來改變航天器的力矩。

如果沒有外力,空間站會怎麼運動?

航天器發動機噴氣需要消耗推進劑,這些推進劑本身並不貴,但將它從地面用貨運飛船送上天卻很費錢。國際空間站如果單使用RCS噴氣調整姿態,它每轉一圈就要消耗超過22公斤推進劑,一天至少340公斤,一個禮拜就得2.4噸,這錢燒不起。

所以科學家在國際空間站中央部分的Z1桁架上安裝了4個控制力矩陀螺,每個陀螺重達600磅(272公斤),陀螺儀裡邊的100公斤不銹鋼飛輪以每分鐘6600轉的恆定速度旋轉,總共輸出4880Nms角動量。別看這些陀螺又大又重,它產生的反作用力能讓空間站以任何角度旋轉,並且不消耗任何燃料,因為陀螺是靠電帶動的,空間站的電能都來自太陽能電池,不需要額外花錢。

國際空間站宇航員更換陀螺

“天和”號核心艙的6個控制力矩陀螺都安裝在大柱段與小柱段過渡的斜面上,並且它們的朝向角度也不一樣,這主要是為了方便維修與更換。實際上陀螺儀裡邊的鋼飛輪能以任何角度旋轉,並且向任何方向輸出力矩。

天和號上的控制力矩陀螺

通常只需要三個陀螺儀保持運動就能驅動航天器調整姿態,“天和”號之所以一下子裝了6個控制力矩陀螺,一方面因為咱們的陀螺比較小,當需要大轉動慣量任務(比如用機械臂將實驗艙移動到側面對接)時,6個陀螺火力全開輸出的力矩會更大;另一方面是保留足夠冗餘。中國空間站使用的可能是1000Nms陀螺儀,它的旋轉速度達每分鐘7000轉,這種機械構件時間長了它容易壞。當初美國天空實驗室三個陀螺壞了兩個造成Skylab報廢;國際空間站也是四個壞了倆,這給空間站的操控造成不小麻煩。空間站並不是你想換零件隨時都能換,在條件允許的情況下多一點冗餘並不是壞事。

陀螺很重,在天上更換卻不是問題

控制力矩陀螺很重,在地面安裝時需要藉助機械手才能將它們準確安裝到位,宇航員在太空更換時能拿得動嗎?這你不需要擔心,空間站在軌道運行時,由於重力被圓周運動的慣性力抵消,所有物體都處於“失重”狀態,宇航員拿幾百斤重的大傢伙照樣舉重若輕,換個陀螺儀自然不在話下。

咱們的空間站完全是依靠我們自主技術、人才和資源製造出來的大科學裝備。俗話說“肉爛在鍋裡”,國家即便是投了幾百億研製空間站,它也是促進了中國的科學技術和生產力發展。在空間站上沒有多少花里胡哨中看不中用的東西,陀螺雖是沉重的鐵疙瘩,但它可以保證空間站運行過程平穩,節省大量推進劑和資金,絕對是物超所值的設備。

天和號兩視圖