國際空間站空翻540°？說說姿態(tài)控制那些事

常飛

2021年7月29日，與國際空間站成功對(duì)接的俄羅斯科學(xué)號(hào)太空艙在幾小時(shí)后意外點(diǎn)火，導(dǎo)致國際空間站姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，迫使美國航空航天局（NASA）推遲了原定于7月30日發(fā)射的商業(yè)載人航天測(cè)試任務(wù)。NASA 最初判斷傾斜角度為45°，但后續(xù)調(diào)查表明，該事故讓國際空間站翻轉(zhuǎn)了至少540°。后來，任務(wù)控制人員只好相繼點(diǎn)燃俄羅斯星辰號(hào)服務(wù)艙以及進(jìn)步MS-17貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)，和科學(xué)號(hào)較了番勁，才讓國際空間站重新回到了正確的姿態(tài)。那么，影響空間站姿態(tài)的主要因素有哪些？空間站的姿態(tài)又是如何被控制的呢？

姿態(tài)干擾事兒不少

航天器進(jìn)入太空之后，雖然看起來是四邊不著地，飄蕩在太空中，但實(shí)際上干擾它姿態(tài)的因素還是挺多的。這在航天控制上被稱為姿態(tài)干擾。最主要的干擾項(xiàng)來自天體引力和太陽光壓。

另外，對(duì)于載人航天器來說，航天員在艙內(nèi)的活動(dòng)、艙內(nèi)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)等也可能成為干擾項(xiàng)。如果軌道高度不是太高，還會(huì)面臨一定密度的地球大氣所引發(fā)的干擾?？臻g站就是這樣的情況。

但是無論如何，像科學(xué)號(hào)這樣自己和自己“頂?！钡陌咐诤教焓飞戏浅：币??？臻g站是在軌飛行器中姿態(tài)控制能力最強(qiáng)的航天器之一，如果換其他航天器，科學(xué)號(hào)這樣一通猛操作，可能會(huì)讓航天器不受控制地一直滾動(dòng)下去。

最常見的干擾源

太陽系中的天體數(shù)量極多，按照萬有引力定律，這些天體之間彼此都存在著相互作用力。作為航天器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師來說，不可能把所有天體的影響都精確地計(jì)算出來，他們一般只考慮太陽、地球和月球的影響。但是其他天體的引力也是客觀存在的，時(shí)日一長，對(duì)航天器的影響聚少成多，就會(huì)對(duì)軌道乃至姿態(tài)產(chǎn)生不可忽視的影響。

太陽風(fēng)是從太陽上層大氣射出的等離子體帶電粒子流，其他恒星也會(huì)噴射出這樣的粒子流，稱為“恒星風(fēng)”。不過地球軌道上的航天器一般只受太陽風(fēng)的影響。太陽風(fēng)以200千米/ 秒～800千米/ 秒的速度運(yùn)動(dòng)，雖然只是粒子流，并且主要影響無線電通信，但對(duì)航天器的姿態(tài)控制來說，同樣存在著一個(gè)集腋成裘的過程。人們一般不會(huì)精確計(jì)算太陽風(fēng)對(duì)姿態(tài)的影響，僅僅是等到它與其他因素的共同干擾積累到一定程度，再一并進(jìn)行修正。

太陽光壓是太陽光照射在物體上對(duì)物體產(chǎn)生的壓力。其實(shí)人類站在陽光下同樣會(huì)遭受光壓，只是非常微弱，人體的感覺器官無法感覺到。在地球上，每平方米土地受到的太陽光壓只有0.0000047牛，完全不產(chǎn)生影響。但是對(duì)航天器來說，因?yàn)樵谟钪胬餂]有借力的地方，所以太陽光壓造成的影響還是不能忽視的。

當(dāng)然，太陽光壓也是一種可以利用的資源。人們已經(jīng)設(shè)計(jì)放飛了一些太陽帆，取得了不錯(cuò)的加速效果。日本隼鳥二號(hào)探測(cè)器在飛向龍宮小行星的時(shí)候，就用自己的太陽電池作為帆板，借了一點(diǎn)太陽光壓的力。

其他意外干擾不容小覷

空間站還會(huì)遭到一些其他姿態(tài)干擾，比如微流星的撞擊。人們?cè)谟懻撐⒘餍堑臅r(shí)候，一般只關(guān)心它會(huì)不會(huì)打壞空間站的太陽電池、散熱器甚至艙壁，但是它的沖擊對(duì)空間站姿態(tài)肯定會(huì)造成不可忽視的影響。

國際空間站本身有很多活動(dòng)部件，如加拿大臂-2和新上天的歐洲機(jī)械臂。另外，日本筑波艙上的機(jī)械臂雖然不會(huì)爬行，但也能抓住大質(zhì)量的物體來回運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這些機(jī)械臂處理艙外設(shè)備，特別是抓取貨運(yùn)飛船的時(shí)候，肯定會(huì)影響空間站的姿態(tài)。

還有一個(gè)重要的姿態(tài)干擾項(xiàng)，就是飛船的對(duì)接。特別是俄羅斯的進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船和聯(lián)盟號(hào)載人飛船都采用錐桿式對(duì)接機(jī)構(gòu)，碰撞沖量還是不可忽視的。如果是在海面上，一艘小艇接駁到一艘大船上，多少也會(huì)讓大船晃一晃。在宇宙中，這一點(diǎn)點(diǎn)晃動(dòng)，如果不想辦法消除，就會(huì)帶來姿態(tài)的持續(xù)變化，甚至偏離正確方向。

姿態(tài)控制有手段

有人會(huì)問，空間站不分上下左右，轉(zhuǎn)起圈來有什么大不了的呢？雖然航天員處在失重狀態(tài)，但是空間站的太陽能電池需要用一定的精度對(duì)準(zhǔn)太陽，以獲得恰當(dāng)?shù)碾娏Α？臻g站的通信天線要對(duì)準(zhǔn)地球，否則就會(huì)失聯(lián)。有一些對(duì)地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、空間暴露實(shí)驗(yàn)，也需要空間站保持足夠的指向。所以，無論干擾因素是什么，姿態(tài)被干擾了都不是好事。

既然有姿態(tài)干擾，就需要有消除干擾的手段?？臻g站和衛(wèi)星一樣，一般采用噴氣和轉(zhuǎn)輪兩種辦法來進(jìn)行姿態(tài)控制。

我們?cè)诳臻g站艙段的外殼上，經(jīng)?？梢钥吹胶芏鄨A鼓鼓的東西，里面裝的就是轉(zhuǎn)輪，叫作反作用飛輪。

按照動(dòng)量矩守恒原理，當(dāng)一個(gè)物體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，只要設(shè)法在它身上施加一個(gè)反向的動(dòng)量矩，就可以減緩它旋轉(zhuǎn)的速度，進(jìn)而讓它停止旋轉(zhuǎn)甚至逆轉(zhuǎn)。反作用飛輪所起的就是這個(gè)作用。如果一個(gè)艙段繞自己的軸線滾動(dòng)起來，啟動(dòng)它身上的反作用飛輪，就可以消除旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，也可以主動(dòng)啟動(dòng)反作用飛輪，讓這個(gè)艙段滾動(dòng)到某個(gè)設(shè)定位置。

雖然一個(gè)艙上的飛輪只能控制自身這個(gè)艙的滾動(dòng)，但空間站是個(gè)大型復(fù)合體，如果把兩個(gè)艙段垂直對(duì)接，就可以控制兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，再來一個(gè)艙段同時(shí)垂直于這兩個(gè)艙，就可以把3個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)全都控制起來。

飛輪控制有很多好處，比如不消耗燃料，精度比較高等。但是飛輪控制能提供的扭矩比較小，如果遇到大強(qiáng)度的干擾，飛輪未必能頂?shù)米?，這就需要噴氣控制。

在所有空間站艙段上，都裝著各種大小的喇叭形推力器。它們的推力從不到1牛，到幾牛，再到幾百牛不等，所使用的燃料一般是無水肼。肼燃料雖然有毒，但是可以在常溫常壓下存儲(chǔ)，用在姿態(tài)控制推力器上比較適合。而且有些時(shí)候，小推力器也能派上大用場(chǎng)。

這次科學(xué)號(hào)與火箭分離后，發(fā)現(xiàn)主發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)，只好用姿態(tài)控制小推力器擔(dān)當(dāng)大任，一點(diǎn)點(diǎn)把它推到了國際空間站的軌道上。類似的事情，在歐洲阿迪米斯衛(wèi)星和美國空軍“先進(jìn)極高頻衛(wèi)星”01星上都曾經(jīng)出現(xiàn)過。

推力器的好處是可以提供比較大的控制力和控制力矩，缺點(diǎn)就是要消耗燃料，要定期通過貨運(yùn)飛船來補(bǔ)充。如果趕上科學(xué)號(hào)這種情況，就會(huì)造成燃料的大量虧空，給后面的空間站運(yùn)行帶來隱患。

一種解決的辦法，就是像中國空間站這樣，采用離子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制。但是，目前離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推力還比較小，如果發(fā)生了類似科學(xué)號(hào)這樣的緊急情況，需要比較長的時(shí)間才能恢復(fù)姿態(tài)。

不常見的姿態(tài)控制手段

除了上述方式之外，人們還發(fā)明過磁力矩控制器、重力梯度桿控制器等姿態(tài)控制設(shè)備。利用地球的磁場(chǎng)和萬有引力，在衛(wèi)星上形成力矩，控制姿態(tài)。但是這些方式的控制力矩有限、響應(yīng)能力和響應(yīng)速度都不太強(qiáng)，一般用在試驗(yàn)性衛(wèi)星上。對(duì)于國際空間站這種幾百噸重的大家伙，還是需要用噴氣式的推力器。

當(dāng)然，無論采取什么方式，控制系統(tǒng)的核心還是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。空間站體積越大、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、反作用飛輪和推力器數(shù)量越多，就越需要控制系統(tǒng)能有效調(diào)動(dòng)使用它們，協(xié)調(diào)彼此的工作，不會(huì)出現(xiàn)自己和自己頂牛的事。今后，人類可能還會(huì)建造超大型的太空城和星際飛船，它們的姿態(tài)控制和干擾消除工作就更復(fù)雜、更艱巨。人類很有可能為此發(fā)明新的控制手段。