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从国际空间站“空翻540度”,说说姿态控制那些事

创建时间:2021-08-18 09:33

目前,俄罗斯航天员已经成功进入科学号实验舱,并开展相关科学实验。殊不知,该实验舱在不久前对接国际空间站的星辰号服务舱时,推进器突然点火,导致国际空间站姿态偏转。美国宇航局最初判断倾斜角度为45度,但后续调查表明,该事故让国际空间站翻转了至少540度。后来,任务控制人员只好相继点燃俄罗斯星辰号服务舱以及进步MS-17货运飞船的发动机,和“科学号”较了番劲,才让国际空间站重新回到了正确的姿态。那么,影响空间站姿态的主要因素有哪些?空间站的姿态又是如何被控制的?


科学号实验舱对接国际空间站瞬间

姿态干扰事儿不少

航天器进入太空之后,虽然看起来是四边不着地,飘荡在太空中,但实际上干扰它姿态的因素还是挺多的。这在航天控制上被称为姿态干扰。最主要的干扰项来自天体引力和太阳光压。

另外,对于载人航天器来说,航天员在舱内的活动、舱内机械设备的运转等也可能成为干扰项。如果轨道高度不是太高,还会面临一定密度的地球大气所引发的干扰。空间站就是这样的情况。

但是无论如何,像“科学号”这样自己和自己“顶牛”的案例,在航天史上非常罕见。空间站是在轨飞行器中姿态控制能力最强的航天器之一,如果换其他航天器,“科学号”这样一通猛操作,可能会让航天器不受控制地一直滚动下去。

最常见的干扰源

太阳系中的天体数量极多,按照万有引力定律,这些天体之间彼此都存在着相互作用力。但是作为航天器控制系统的设计师来说,不可能把所有天体的影响都精确地计算出来,他们一般只考虑太阳、地球和月球的影响。但是其他天体的引力也是客观存在的,时日一长,对航天器的影响聚少成多,就会对轨道乃至姿态产生不可忽视的影响。

太阳风是从太阳上层大气射出的等离子体带电粒子流,其他恒星也会喷射出这样的粒子流,称为“恒星风”。不过地球轨道上的航天器一般只受太阳风的影响。太阳风以200~800公里/秒的速度运动,虽然只是粒子流,并且主要影响无线电通信,但对航天器的姿态控制来说,同样存在着一个集腋成裘的过程。人们一般不会精确计算太阳风对姿态的影响,仅仅是等到它与其他因素的共同干扰积累到一定程度,再一并进行修正。


太阳风会对航天器造成影响

太阳光压是太阳光照射在物体上对物体产生的压力。其实人类站在阳光下,同样会遭受到光压,只是非常微弱,人体的感觉器官无法感觉到。在地球上,每平方米土地受到的太阳光压只有0.0000047牛顿,完全不产生影响。但是对航天器来说,因为在宇宙里没有借力的地方,所以太阳光压造成的影响还是不能忽视的。当然,太阳光压也是一种可以利用的资源。人们已经设计放飞了一些太阳帆,取得了不错的加速效果。日本隼鸟二号探测器在飞向龙宫小行星的时候,就用自己的太阳电池作为帆板,借了一点太阳光压的力。

其他意外干扰不容小觑

空间站还会遭到一些其他姿态干扰,比如微流星的撞击。人们在讨论微流星的时候,一般只关心它会不会打坏空间站的太阳电池、散热器甚至舱壁,但是它的冲击对空间站姿态肯定会造成不可忽视的影响。

国际空间站本身有很多活动部件,如加拿大臂二号和新上天的欧洲机械臂。另外,日本筑波舱上的机械臂虽然不会爬行,但也能抓住大质量的物体来回运动。当这些机械臂处理舱外设备,特别是抓取货运飞船的时候,肯定会影响空间站的姿态。

还有一个重要的姿态干扰项,就是飞船的对接。特别是俄罗斯的进步号货运飞船和联盟号载人飞船都采用锥杆式对接机构,碰撞冲量还是不可忽视的。如果是在海面上,一艘小艇接驳到一艘大船上,多少也会让大船晃一晃。在宇宙中,这一点点晃动,如果不想办法消除,就会带来姿态的持续变化,甚至偏离正确方向。


联盟号载人飞船(近)和科学号实验舱(远)对接在国际空间站上,背景是南极光

姿态控制有手段

有人会问,空间站不分上下左右,转起圈来有什么大不了的呢?虽然航天员处在失重状态,但是空间站的太阳能电池需要用一定的精度对准太阳,以获得恰当的电力。空间站的通信天线要对准地球,否则就会失联。有一些对地观测实验、空间暴露实验,也需要空间站保持足够的指向。所以,无论干扰因素是什么,姿态被干扰了都不是好事。

既然有姿态干扰,就需要有消除干扰的手段。空间站和卫星一样,一般采用喷气和转轮两种办法来进行姿态控制。

我们在空间站舱段的外壳上,经常可以看到很多圆鼓鼓的东西,里面装的就是转轮,叫做反作用飞轮。

按照动量矩守恒原理,当一个物体在旋转时,只要设法在它身上施加一个反向的动量矩,就可以减缓它旋转的速度,进而让它停止旋转甚至逆转。反作用飞轮所起的就是这个作用。如果一个舱段绕自己的轴线滚动起来,启动它身上的反作用飞轮,就可以消除旋转。当然,也可以主动启动反作用飞轮,让这个舱段滚动到某个设定位置。虽然一个舱上的飞轮只能控制自身这个舱的滚动,但空间站是个大型复合体,如果把两个舱段垂直对接,就可以控制两个方向上的转动,再来一个舱段同时垂直于这两个舱,就可以把三个方向上的转动全都控制起来。

飞轮控制有很多好处,比如不消耗燃料,精度比较高等。但是飞轮控制能提供的扭矩比较小,如果遇到大强度的干扰,飞轮未必能顶得住,这就需要喷气控制。

在所有空间站舱段上,都装着各种大小的喇叭形推力器。它们的推力从不到1牛顿,到几个牛顿,再到几百牛顿不等,所使用的燃料一般是无水肼。肼燃料虽然有毒,但是可以在常温常压下存储,用在姿态控制推力器上比较适合。而且有些时候,小推力器也能派上大用场。

这次“科学号”与火箭分离后,发现主发动机无法启动,只好用姿态控制小推力器担当大任,一点点把它推到了国际空间站的轨道上。类似的事情,在欧洲阿迪米斯卫星和美国空军“先进极高频卫星”01星上都曾经出现过。


运行在太空的国际空间站

推力器的好处是可以提供比较大的控制力和控制力矩,缺点就是要消耗燃料,要定期通过货运飞船来补充。如果赶上“科学号”这种情况,就会造成燃料的大量亏空,给后面的空间站运行带来隐患。

一种解决的办法,就是像中国空间站这样,采用离子发动机进行姿态控制。但是目前离子发动机的推力还比较小,如果发生了类似于“科学号”这样的紧急情况,需要比较长的时间才能恢复姿态。

不常见的姿态控制手段

除了上述方式之外,人们还发明过磁力矩控制器、重力梯度杆控制器等姿态控制设备。利用地球的磁场和万有引力,在卫星上形成力矩,控制姿态。但是这些方式的控制力矩有限、响应能力和响应速度都不太强,一般用在试验性卫星上。对于国际空间站这种几百吨重的大家伙,还是需要用喷气式的推力器。

当然,无论采取什么方式,控制系统的核心还是计算机系统。空间站体积越大、结构越复杂、反作用飞轮和推力器数量越多,就越需要控制系统能有效调动使用它们,协调彼此的工作,不会出现自己和自己顶牛的事。今后,人类可能还会建造超大型的太空城和星际飞船,它们的姿态控制和干扰消除工作就更复杂、更艰巨。人类很有可能为此发明新的控制手段。

(本文刊登于2021年8月14日的《中国航天报·飞天科普周刊》)


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