需要解决“转身”问题的，除了航天员，还有在太空中飞行的卫星。它们和航天员们的情况类似，在没有其他东西可以依靠的环境下，卫星如何才能实现自主转向？这个时候，陀螺定轴性衍生而来的单自旋稳定就显得不够用了。

2021年12月9日，“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课。

三位航天员演示了太空转身、水球开花等实验，向我们展示了微重力环境下航天员们奇特的生活方式。

太空转身为什么这么难？都是角动量在作怪

为何在地面上看起来如此平常的转身动作，在太空中做起来却如此困难呢？

这其实是角动量守恒原理的作用。角动量是描述物体转动的一个参量，一般来说，物体质量越大、转速越快、转动半径越大，角动量越大。而角动量守恒是指一个物体在转动时，如果不受外力作用或者外力总扭转作用为0，则角动量保持不变。

当人在太空中处于漂浮状态时，在初始角动量为0（也就是静止不旋转）的情况下，如果不借助任何外部物体，是无法靠扭动身体转起来的。叶光富在实验中的尝试已经证明了这一点，而在地面上的我们则可以通过向地面借力的方法使自己转起来。

在这次尝试中有一个细节，叶光富在试图转动上半身时，下半身会自动往相反的方向转。这是因为上半身转起来时会产生一个角动量，而下半身会自动产生一个方向相反的角动量，抵消上半身转动产生的角动量以实现守恒。但在此之后，由于腰椎和腰部肌肉的限制，上半身没法继续转动了，尝试因此失败。

这给我们提供了一个新思路，我们只需要寻找身体上能自由全角度转动的部位，然后让它转起来提供一个角动量，那么身体主体就会产生一个相反的角动量从而转起来。所以，后来叶光富成功通过“抡手臂”的方式实现了转身。

面临“转身”问题的除了航天员，还有它们

需要解决“转身”问题的，除了航天员，还有在太空中飞行的卫星。

它们和航天员们的情况类似，在没有其他东西可以依靠的环境下，卫星如何才能实现自主转向？这个时候，陀螺定轴性衍生而来的单自旋稳定就显得不够用了。

单自旋稳定是早期人造卫星采用的一种姿控方式，它通过直接让卫星整体自转的方法保持卫星姿态稳定。但随着太空任务内容的增加，面对需要对地球定向以及高精度定向的需求时，单自旋稳定的姿控方式就有些力不从心。

办法总比困难多，科学家们很快就想出了双自旋稳定这种姿态控制方式。人体的限制让我们没法上半身和下半身分开转，但我们可以把卫星变成“上下半身分离”。

卫星被分为平台和转子两个部分，两者之间通过轴承连接。需要定向的载荷被放置在平台上，而卫星的其他辅助系统则放在转子中。工作时，转子自身是旋转的，而平台则通过电机进行反向转动，由此实现消旋。这种姿控方式一般在通信卫星上比较常见，卫星搭载的通訊天线可以通过双自旋稳定实现对地定向。

双自旋稳定不是长久之计，还是得靠“抡手臂”

虽然双自旋稳定很好使，但时间久了它的弊端也就暴露出来了。由于平台相对较小，可安装的载荷也较少。除此以外，采用双自旋稳定的卫星，其太阳能电池只能贴在卫星表面安装，太阳能利用效率低，卫星功率低。看来这个“转身”方法并不是最优解，于是科学家们又想出了新点子。

和“抡手臂”同理，我们只需要一个能转起来提供角动量的部件代替原来庞大的转子，就可以让平台作为主体部分受控旋转。这就是固定偏置动量三轴稳定姿控的原理。采用这种姿控方式的卫星，其内部安装有一个偏置动量轮。工作时，动量轮保持旋转，持有一定角动量，卫星平台可根据需要与动量轮交换角动量，就像航天员调整“抡手臂”的速度以调整自己身体的转速一样，实现对地球或其他天体的定向和其他姿控要求。这种方法大大提升了控制精度，卫星也变得更加灵活，因此被广泛用于各种卫星的姿控分系统。

在太空微重力环境下，很多在地面上看起来习以为常的事情都会呈现不一样的面貌。哪怕是“转身”这样看似不起眼的小事，也蕴含着和卫星姿控相关的基本原理。

（新华网2021.12.21）