大兵老師的神奇小屋
——航天器導(dǎo)航與控制（一）

文/王依兵 圖/麥芽哈哈

時(shí)間一分一秒地過去，三人始終找不到任何思路。小天從書包里掏出一個(gè)本子說：“算了，你們先想著吧。我今天的英語作業(yè)還沒做完呢，我先把新學(xué)的單詞抄了。你們加油吧！”

壯壯被他氣得哭笑不得：“你不能當(dāng)逃兵啊，快起來一起想！”說著就要伸手去拉坐在地上的小天。這時(shí)小菲突然來了靈感，說：“對(duì)，英語單詞！我明白了！”

小菲說完走上前去，在密碼輸入鍵盤上按下了三個(gè)字母：t、i、s。滴的一聲，墻壁上又一次出現(xiàn)了令人振奮的綠色“回答正確”字樣，神奇小屋的大門被成功打開了。

壯壯趕緊問道：“你是怎么想出來的啊？”

小菲一邊跑進(jìn)神奇小屋一邊說：“就是英語單詞啊！”

壯壯也跟著跑進(jìn)了神奇小屋，還在繼續(xù)追問：“你仔細(xì)講講呀！”

只留下小天坐在地上喊：“你們等等我啊，誰來拉我一把？哎呀，腿麻了……”

軌道與姿態(tài)

大兵老師已經(jīng)在等候他們了，望著前面跑進(jìn)來的兩人和后面一瘸一拐的小天，大兵老師說：“看起來今天是真的難倒你們了，我都想給你們一些語音提示了！不過還好你們順利進(jìn)來了，祝賀你們！”

小菲驕傲地?fù)P起了頭：“那是肯定的，有我在還能解不出來嗎？”

壯壯卻說：“你看你，解出一道題就不謙虛了?！?/p>

只有小天在揉著腿嘟囔：“哎呀，你們跑得那么快，我腿還沒緩過來呢……”

大兵老師說：“言歸正傳，前面幾堂課中，大家已經(jīng)了解了各種航天器的基本功能和結(jié)構(gòu)，但是這些航天器并不是發(fā)射上天就不用管了，后面還有很多工作要做。今天我們的話題就是航天器的導(dǎo)航與控制。”

壯壯問：“這是不是就意味著，我們需要時(shí)刻監(jiān)視航天器飛到了什么地方呀？”

大兵老師回答：“對(duì)，但是還不全面。我們不但需要每時(shí)每刻關(guān)注航天器的飛行位置是不是在預(yù)定的軌道上，同時(shí)還得關(guān)心它的姿態(tài)是否正確?！?/p>

小菲問：“什么叫姿態(tài)呢？”

大兵老師說：“簡單地說，你站著和躺著，就是兩種不同的姿態(tài)。”

小天嚷嚷道：“我腿還麻著呢，現(xiàn)在就想躺下！”

大兵老師笑著說：“那好，大家一起躺下吧！我把圖像投影到天花板就可以了。”

說完，大兵老師發(fā)出了語音指令，神奇小屋的天花板上投射出一顆人造衛(wèi)星的圖像。大家都找了個(gè)舒服的位置躺下來觀看，地板也根據(jù)每個(gè)人躺的位置自動(dòng)升降起自適應(yīng)的形狀，讓大家絲毫感受不到地面的硬度。

小天喊著：“這地板什么時(shí)候被改造過??？真是太舒服了！”

大兵老師笑著說：“這是假期過后剛剛改裝好的?！?/p>

小天抱怨道：“下次能不能把門口的地板也換成這種啊？那樣我再坐地上就不會(huì)硌屁股，也不會(huì)腿麻了……”

大家聽了又笑了起來。

壯壯望著天花板上的人造衛(wèi)星圖像問：“老師，像這種航天器，只要它在預(yù)定軌道上，不就可以正常工作了嗎，為什么還要關(guān)心它的姿態(tài)呢？”

大兵老師回答：“我們之前講過，人造衛(wèi)星工作時(shí)要保持一個(gè)穩(wěn)定的姿態(tài)，這是非常重要的。因?yàn)楹芏嘈l(wèi)星是要對(duì)地進(jìn)行觀測(cè)和傳輸信號(hào)的，需要有穩(wěn)定的方向；另外這樣做的話，太陽能帆板也可以一直朝向太陽；還有很多航天器需要實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，此時(shí)更需要姿態(tài)穩(wěn)定。所以航天器在天上不停地翻跟頭可不行??！”

小菲說：“如果航天器發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)的話，是不是會(huì)產(chǎn)生比較大的離心力，導(dǎo)致內(nèi)部元件的損壞??？”

大兵老師夸獎(jiǎng)道：“小菲補(bǔ)充得非常好，真實(shí)情況正是這樣。此外，載人的航天器更不能在天上亂轉(zhuǎn)，那樣的話，航天員就完全沒法兒正常工作和生活了。”

小天問：“那么怎樣控制航天器的姿態(tài)呢？”

大兵老師回答：“我們可以用三個(gè)固定在航天器上的假想的軸線來描述它的姿態(tài)。”說著，神奇小屋的天花板上浮現(xiàn)出一艘宇宙飛船，從飛船的重心伸出三條互相垂直的軸線。

“航天器的姿態(tài)可以用繞著這三根軸旋轉(zhuǎn)的角度去確定。很多航天器自身具備一定的姿態(tài)穩(wěn)定性，比如以前我們講過的自旋穩(wěn)定和重力梯度穩(wěn)定技術(shù)等，都可以讓人造衛(wèi)星自動(dòng)保持一定的穩(wěn)定姿態(tài)。不過如果衛(wèi)星一直繞著一個(gè)軸快速旋轉(zhuǎn)的話，在這個(gè)方向上就不能要求角度不變了。也有很多航天器是需要三個(gè)軸都穩(wěn)定的。當(dāng)自動(dòng)穩(wěn)定技術(shù)不能滿足控制要求的時(shí)候，就需要主動(dòng)控制它的姿態(tài)。這時(shí)候就得用到磁力矩器或航天器上的發(fā)動(dòng)機(jī)噴口來提供一個(gè)力矩去修正它的姿態(tài)?！?/p>

軌道根數(shù)

壯壯問：“我大概明白了，那么航天器的軌道又是怎么測(cè)控的呢？”

大兵老師說：“在回答這個(gè)問題之前，我們首先得知道航天器的軌道參數(shù)都有哪些。首先，根據(jù)開普勒定律，一個(gè)在地球軌道上運(yùn)行的航天器，它的軌跡一般是一個(gè)橢圓形。地球在這個(gè)橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上（F1 或者F2 的位置），兩個(gè)焦點(diǎn)之間的距離叫焦距，長度是圖上的2c。”

說著，神奇小屋的天花板上又出現(xiàn)了一個(gè)橢圓的圖形，同時(shí)標(biāo)出了一些關(guān)鍵的參數(shù)。

“橢圓中，橫著的那條最長的線段叫橢圓的長軸，豎著的那條最短的線段叫橢圓的短軸。它們的一半又分別叫半長軸和半短軸，就是圖上a 和b的長度。如果用c 除以a，就可以得到另一個(gè)參數(shù)：偏心率e。偏心率越大，說明這個(gè)橢圓越‘扁’。”

小天嘆了口氣說：“我怎么感覺有點(diǎn)兒頭暈了。”

大兵老師接著說：“沒關(guān)系，你只需要記住，只要知道這些參數(shù)里的兩個(gè)就可以確定下來橢圓的形狀了。一般來說會(huì)選擇半長軸和偏心率這兩個(gè)參數(shù)?！?/p>

大兵老師接著說：“然后，我們還需要知道這個(gè)橢圓對(duì)于地球來說是躺著的還是立著的，也就是它的軌道傾角是多少。另外，這個(gè)橢圓會(huì)與地球的赤道平面相交在兩個(gè)點(diǎn)上——升交點(diǎn)和降交點(diǎn)。這兩個(gè)點(diǎn)就是航天器向上飛時(shí)通過的交點(diǎn)和向下飛時(shí)通過的交點(diǎn)，我們知道一個(gè)就行了，一般選擇升交點(diǎn)。

“除此以外，我們通常還需要知道近地點(diǎn)的位置，也就是航天器飛到距離地球最近的那個(gè)點(diǎn)的位置。有了這五個(gè)參數(shù)，航天器的軌道就能準(zhǔn)確地定下來了。這時(shí)候，我們?nèi)绻篮教炱黠w過近地點(diǎn)時(shí)的角度就完全可以知道它目前所在的位置，這個(gè)角度叫作真近點(diǎn)角。所以軌道的五個(gè)參數(shù)——半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點(diǎn)、近地點(diǎn)，再加上真近點(diǎn)角，合起來叫作六個(gè)‘軌道根數(shù)’。它們是確定航天器位置的‘六劍客’?！?/p>

小菲皺皺眉說：“聽起來挺‘霸氣’的，就是有點(diǎn)兒難理解?！?/p>

大兵老師笑著說：“沒關(guān)系，大家只需要了解在地球的衛(wèi)星軌道上，飛行的航天器位置的確定需要這‘六劍客’就夠了?！?/p>

壯壯捂著腦袋說：“我有點(diǎn)兒暈了，信息量太大了！”

大兵老師說：“沒關(guān)系，慢慢來，我們下次再接著講吧，大家先好好‘消化’一下?！?/p>

這時(shí)從角落里傳來了一陣鼾聲。大家循著聲音望去，不知何時(shí)，小天已經(jīng)躺在地板上呼呼大睡起來了……