大兵老师的神奇小屋——航天器导航与控制（一）

文/王依兵 图/麦芽哈哈

时间一分一秒地过去，三人始终找不到任何思路。小天从书包里掏出一个本子说：“算了，你们先想着吧。我今天的英语作业还没做完呢，我先把新学的单词抄了。你们加油吧！”

壮壮被他气得哭笑不得：“你不能当逃兵啊，快起来一起想！”说着就要伸手去拉坐在地上的小天。这时小菲突然来了灵感，说：“对，英语单词！我明白了！”

小菲说完走上前去，在密码输入键盘上按下了三个字母：t、i、s。滴的一声，墙壁上又一次出现了令人振奋的绿色“回答正确”字样，神奇小屋的大门被成功打开了。

壮壮赶紧问道：“你是怎么想出来的啊？”

小菲一边跑进神奇小屋一边说：“就是英语单词啊！”

壮壮也跟着跑进了神奇小屋，还在继续追问：“你仔细讲讲呀！”

只留下小天坐在地上喊：“你们等等我啊，谁来拉我一把？哎呀，腿麻了……”

轨道与姿态

大兵老师已经在等候他们了，望着前面跑进来的两人和后面一瘸一拐的小天，大兵老师说：“看起来今天是真的难倒你们了，我都想给你们一些语音提示了！不过还好你们顺利进来了，祝贺你们！”

小菲骄傲地扬起了头：“那是肯定的，有我在还能解不出来吗？”

壮壮却说：“你看你，解出一道题就不谦虚了。”

只有小天在揉着腿嘟囔：“哎呀，你们跑得那么快，我腿还没缓过来呢……”

大兵老师说：“言归正传，前面几堂课中，大家已经了解了各种航天器的基本功能和结构，但是这些航天器并不是发射上天就不用管了，后面还有很多工作要做。今天我们的话题就是航天器的导航与控制。”

壮壮问：“这是不是就意味着，我们需要时刻监视航天器飞到了什么地方呀？”

大兵老师回答：“对，但是还不全面。我们不但需要每时每刻关注航天器的飞行位置是不是在预定的轨道上，同时还得关心它的姿态是否正确。”

小菲问：“什么叫姿态呢？”

大兵老师说：“简单地说，你站着和躺着，就是两种不同的姿态。”

小天嚷嚷道：“我腿还麻着呢，现在就想躺下！”

大兵老师笑着说：“那好，大家一起躺下吧！我把图像投影到天花板就可以了。”

说完，大兵老师发出了语音指令，神奇小屋的天花板上投射出一颗人造卫星的图像。大家都找了个舒服的位置躺下来观看，地板也根据每个人躺的位置自动升降起自适应的形状，让大家丝毫感受不到地面的硬度。

小天喊着：“这地板什么时候被改造过啊？真是太舒服了！”

大兵老师笑着说：“这是假期过后刚刚改装好的。”

小天抱怨道：“下次能不能把门口的地板也换成这种啊？那样我再坐地上就不会硌屁股，也不会腿麻了……”

大家听了又笑了起来。

壮壮望着天花板上的人造卫星图像问：“老师，像这种航天器，只要它在预定轨道上，不就可以正常工作了吗，为什么还要关心它的姿态呢？”

大兵老师回答：“我们之前讲过，人造卫星工作时要保持一个稳定的姿态，这是非常重要的。因为很多卫星是要对地进行观测和传输信号的，需要有稳定的方向；另外这样做的话，太阳能帆板也可以一直朝向太阳；还有很多航天器需要实现交会对接，此时更需要姿态稳定。所以航天器在天上不停地翻跟头可不行啊！”

小菲说：“如果航天器发生高速旋转的话，是不是会产生比较大的离心力，导致内部元件的损坏啊？”

大兵老师夸奖道：“小菲补充得非常好，真实情况正是这样。此外，载人的航天器更不能在天上乱转，那样的话，航天员就完全没法儿正常工作和生活了。”

小天问：“那么怎样控制航天器的姿态呢？”

大兵老师回答：“我们可以用三个固定在航天器上的假想的轴线来描述它的姿态。”说着，神奇小屋的天花板上浮现出一艘宇宙飞船，从飞船的重心伸出三条互相垂直的轴线。

“航天器的姿态可以用绕着这三根轴旋转的角度去确定。很多航天器自身具备一定的姿态稳定性，比如以前我们讲过的自旋稳定和重力梯度稳定技术等，都可以让人造卫星自动保持一定的稳定姿态。不过如果卫星一直绕着一个轴快速旋转的话，在这个方向上就不能要求角度不变了。也有很多航天器是需要三个轴都稳定的。当自动稳定技术不能满足控制要求的时候，就需要主动控制它的姿态。这时候就得用到磁力矩器或航天器上的发动机喷口来提供一个力矩去修正它的姿态。”

轨道根数

壮壮问：“我大概明白了，那么航天器的轨道又是怎么测控的呢？”

大兵老师说：“在回答这个问题之前，我们首先得知道航天器的轨道参数都有哪些。首先，根据开普勒定律，一个在地球轨道上运行的航天器，它的轨迹一般是一个椭圆形。地球在这个椭圆的一个焦点上（F1 或者F2 的位置），两个焦点之间的距离叫焦距，长度是图上的2c。”

说着，神奇小屋的天花板上又出现了一个椭圆的图形，同时标出了一些关键的参数。

“椭圆中，横着的那条最长的线段叫椭圆的长轴，竖着的那条最短的线段叫椭圆的短轴。它们的一半又分别叫半长轴和半短轴，就是图上a 和b的长度。如果用c 除以a，就可以得到另一个参数：偏心率e。偏心率越大，说明这个椭圆越‘扁’。”

小天叹了口气说：“我怎么感觉有点儿头晕了。”

大兵老师接着说：“没关系，你只需要记住，只要知道这些参数里的两个就可以确定下来椭圆的形状了。一般来说会选择半长轴和偏心率这两个参数。”

大兵老师接着说：“然后，我们还需要知道这个椭圆对于地球来说是躺着的还是立着的，也就是它的轨道倾角是多少。另外，这个椭圆会与地球的赤道平面相交在两个点上——升交点和降交点。这两个点就是航天器向上飞时通过的交点和向下飞时通过的交点，我们知道一个就行了，一般选择升交点。

“除此以外，我们通常还需要知道近地点的位置，也就是航天器飞到距离地球最近的那个点的位置。有了这五个参数，航天器的轨道就能准确地定下来了。这时候，我们如果知道航天器飞过近地点时的角度就完全可以知道它目前所在的位置，这个角度叫作真近点角。所以轨道的五个参数——半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点、近地点，再加上真近点角，合起来叫作六个‘轨道根数’。它们是确定航天器位置的‘六剑客’。”

小菲皱皱眉说：“听起来挺‘霸气’的，就是有点儿难理解。”

大兵老师笑着说：“没关系，大家只需要了解在地球的卫星轨道上，飞行的航天器位置的确定需要这‘六剑客’就够了。”

壮壮捂着脑袋说：“我有点儿晕了，信息量太大了！”

大兵老师说：“没关系，慢慢来，我们下次再接着讲吧，大家先好好‘消化’一下。”

这时从角落里传来了一阵鼾声。大家循着声音望去，不知何时，小天已经躺在地板上呼呼大睡起来了……