中国空间站一克重量半两金,为何核心舱却装了1吨重的6个铁球?

有人说中国“天和”核心舱的造价达400亿,不知道这个数字是从哪儿来的,若果真如此,那么“天和”号每克的造价将达1818元,加上发射和后期运营费用,用“一克重量半两黄金”来形容它的昂贵似乎并不过分。

关注空间站消息的朋友也许会注意到,“天和”号核心舱边上镶嵌了6个白色圆圆的球。那是雷达罩吗?你错了!那东西是铁的,每个球重达一百多公斤,6个球加起来总重量接近1吨!

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你可能听说过这样的故事:由于火箭发射成本很高,在设计 航天器 时,技术人员会挖空心思来给航天器减重,因为每减少一克重量就意味着节省下许多燃料许多钱。既然如此,为什么“天和”核心舱边上要装6个“铁疙瘩”,难道只为了显示咱种花家今天不差钱?

其实这6颗球既不是配重,更不是用来摆阔的装饰,它的正式名字叫“控制力矩陀螺”。每一颗球里边密封着一个钢制的 飞轮 ,飞轮以每秒7000转的速度旋转,用来控制 飞船 的姿态。

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不知道你有没玩过指尖陀螺,这种小玩具前两年很流行,它结构简单也比较便宜,减压,许多孩子和年轻人都爱玩。你若在陀螺高速旋转的同时左右摆动它,手指会感觉到明显的阻力。

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学过运动力学的朋友大多知道,陀螺在旋转的时候会有一个角动量,这个角动量让它的旋转轴保持一个固定的方向,如果没有外力介入,这个陀螺永远都不会改变旋转角度;而当你改变这个陀螺旋转轴角度时,它的角动量也会向你施加反作用力。这就是我们摆动陀螺时手指感到阻力的原因。

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陀螺运动还有个特点,那就是转子越重、转动的速度越快,它的转动力矩就越大,也能输出更大的反作用力。

言归正传,空间站要这些陀螺干什么用呢?简单说就是:改变姿势。

空间站在太空飞行,实际上它并不总是“肚皮朝下背朝天”,而是会每转一圈翻个跟斗,你需要让它相对于地面保持“稳定姿态”就得有个力“扳住它”;

空间站有许多运动的机构,舱内还有人,人在里边运动的时候会向舱壁施加力,你别看这个力不大,它足以改变空间站的运行姿态;

当空间站要跟飞船对接时,两个航天器需要调整角度,并且互相施加力的影响;

有时候空间站会调整角度增加或者减少太阳照射、还要考虑规避大气阻力和地球磁场影响。

在这些时候,你就需要启动航天器不同部位的反推发动机,让它喷气来改变航天器的力矩。

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航天器发动机喷气需要消耗 推进剂 ,这些推进剂本身并不贵,但将它从地面用货运飞船送上天却很费钱。国际空间站如果单使用RCS喷气调整姿态,它每转一圈就要消耗超过22公斤推进剂,一天至少340公斤,一个礼拜就得2.4吨,这钱烧不起。

所以科学家在国际空间站中央部分的Z1桁架上安装了4个控制力矩陀螺,每个陀螺重达600磅(272公斤), 陀螺仪 里边的100公斤不锈钢飞轮以每分钟6600转的恒定速度旋转,总共输出4880Nms角动量。别看这些陀螺又大又重,它产生的反作用力能让空间站以任何角度旋转,并且不消耗任何燃料,因为陀螺是靠电带动的,空间站的电能都来自太阳能电池,不需要额外花钱。

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“天和”号核心舱的6个控制力矩陀螺都安装在大柱段与小柱段过渡的斜面上,并且它们的朝向角度也不一样,这主要是为了方便维修与更换。实际上陀螺仪里边的钢飞轮能以任何角度旋转,并且向任何方向输出力矩。

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通常只需要三个陀螺仪保持运动就能驱动航天器调整姿态,“天和”号之所以一下子装了6个控制力矩陀螺,一方面因为咱们的陀螺比较小,当需要大转动惯量任务(比如用机械臂将实验舱移动到侧面对接)时,6个陀螺火力全开输出的力矩会更大;另一方面是保留足够冗余。中国空间站使用的可能是1000Nms陀螺仪,它的旋转速度达每分钟7000转,这种机械构件时间长了它容易坏。当初美国天空实验室三个陀螺坏了两个造成Skylab报废;国际空间站也是四个坏了俩,这给空间站的操控造成不小麻烦。空间站并不是你想换零件随时都能换,在条件允许的情况下多一点冗余并不是坏事。

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控制力矩陀螺很重,在地面安装时需要借助机械手才能将它们准确安装到位,宇航员在太空更换时能拿得动吗?这你不需要担心,空间站在轨道运行时,由于重力被圆周运动的惯性力抵消,所有物体都处于“失重”状态,宇航员拿几百斤重的大家伙照样举重若轻,换个陀螺仪自然不在话下。

咱们的空间站完全是依靠我们自主技术、人才和资源制造出来的大科学装备。俗话说“肉烂在锅里”,国家即便是投了几百亿研制空间站,它也是促进了中国的科学技术和生产力发展。在空间站上没有多少花里胡哨中看不中用的东西,陀螺虽是沉重的铁疙瘩,但它可以保证空间站运行过程平稳,节省大量推进剂和资金,绝对是物超所值的设备。