本文摘自蓝眼睛，侵删。
早前，神舟十三号带着三位航天英雄回归的事情引起了全网热议，而即将发射的神舟十四号飞船也包含了众多期待。事实上，这些年随着一艘又一艘神舟飞船的顺利返航，中国在太空当中“搭积木的工程”的进展正逐步加快。要知道，在太空中搭积木可不同于陆地，光是运输成本就高得惊人。
“神十四”，计划于2022年6月发射
因此，中国空间站可以说是一克重量半两金。可是此前有细心的朋友却发现，在我国天宫空间站的核心舱上，却装着6个看起来似乎没啥用处的“铁球”，它们的总重量达到了1吨。所以，这些“铁球”究竟是什么？为什么空间站要“把重量分给它们”？
天和号1:1核心舱与“铁球”
中国进入“空间站时代”
大家都知道，随着科技的发展以及地球资源的有限，未来的国际竞争肯定会涉及到太空领域，甚至以太空领域为主体。因此，现阶段就显得十分关键了，尤其是空间站的建设。我国的起步虽然比较晚，但是在数代航天人的努力之下，目前算是发展得十分不错了，按照之前制定的计划稳步前行。
2021年的4月底，我国空间站的“天和核心舱”就搭乘着长征五号B遥2运载火箭顺利升空。这标志着，我国的空间站建设进入了全新的阶段。当然，神舟十三号此前升空之后也顺利对接了天和核心舱。
神十三乘组刚入驻天和核心舱时的画面
中国的空间站由天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱三个基本部分组成，这里面核心舱是空间站组合控制的主体舱段，具备多种能力，比如交会对接、转位停泊、宇航员长期驻留等。从功能性就能看出，核心舱非常的重要。
天和核心舱示意图
而能够在如此重要的核心舱上占据一席之地，可见这六个“铁球”作用也非同一般。
天和号1:1核心舱
核心舱上的“铁球”有什么用？
实际上，这6个“铁球”并不是绝对“实心”的，在这里面还藏着一个钢制的飞轮。该装置的专业名称叫做控制力矩陀螺，英文简称为CMG，它是航天器的姿态控制执行机构。
资料显示该装置由转子和框架组成，转子以恒定的角速度旋转，提供恒定的角动量，框架组件驱动转子组件围绕垂直于角动量矢量方向的框架轴旋转，改变角动量矢量方向，实现CMG与航天器之间的角动量交换，同时输出陀螺力矩。
通常三个陀螺仪保持运动就能调整姿态
显然，这些“铁球”可不是核心舱上的装饰品，而是具备重要功能的。控制力矩陀螺会通过与航天器进行动量的交换，最终实现对外部扰动力矩的吸收，让航天器保持“稳定”的状态。毕竟，核心舱是要住人还要做实验的，要是因为各种原因一直在太空中“颠簸”就不合适了。
当然，除了保持航天器稳定以外，该装置还能够快速改变航天器的姿态，调整其姿势。这种调整与传统惯性执行装置相比，不仅输出力矩更大，而且效率也更高。最重要的是，它还节省“原料”。
天宫二号在力矩陀螺作用下改变姿态
如果不带着这些大“铁球”，那么我国的空间站在调整方向的时候就只能依靠传统装置，也就是依靠发动机喷气改变力矩。要知道，未来这种细微的调整概率可能会非常频繁，而每次都使用喷气的方式，那就是在“大把的烧钱”，毕竟太空的快递费实在是太高了。
所以，秉持着“长痛不如短痛”的长远考虑，即使空间站一克重量半两金，设计师还是选择了更稳定也更省钱的方式。有人可能会说，那选择轻一点的传统飞轮不是也可以吗？毕竟看起来工作原理好像差不多。这是因为控制力矩陀螺输出的力矩比传统的飞轮要高得多，甚至能达到百倍。
效能远弱于控制力矩陀螺的动量轮结构图
而咱们的空间站不像是卫星，体型比较小。因此，对大型航天器而言，控制力矩陀螺的各方面优势更加明显。更不用说，我国空间站在轨期间既要实现大角度姿态机动，又要进行“高精度”姿态控制和组合体姿态控制，其难度还是非常高的。
机器人精密装配天宫空间站力矩陀螺
值得一提的是，控制力矩陀螺并不算是咱们首创的，这种装置在上世纪时就被运用了。比如，已经超过服役时间却依旧在坚持运行的国际空间站之上也有这样的装置，不过数量和重量与我国空间站上的不一样。
空间实验室阶段应用的控制力矩陀螺
控制力矩陀螺的应用
据悉，在国际空间站上装了4个大“铁球”，以输出角动量。可能会有人质疑，国际空间站不是比咱们的空间站规模更大也更重吗？怎么控制力矩陀螺反而还装得更少了？
国际空间站的力矩陀螺
确实，按照国际空间站的体格来说，应该需要更多控制力矩陀螺才对。不过，之所以只有4个，是因为它们每个的重量要比咱们重。前文我们提到了，核心舱上的6个“铁球”总重接近一吨，而国际空间站上的“铁球”每个净重就有270多公斤，这加在一起也有一吨多了。
据介绍为了对 400多吨的国际空间站进行姿态维持，CMG巨大的高速转子可提供4760N·m·s的角动量，可输出258 N·m的力矩。
每增加一分重量都会燃烧很多的钱
除了现在的国际空间站，美国的天空实验室和俄罗斯的和平号空间站都曾利用过这种装置。毕竟从它的各个性能来看，它确实是廉价又好用。后来人们还将这种装置用在了卫星上，让其控制卫星的姿态。
卫星上的控制力矩陀螺要比空间站上小得多，但其存在确实对卫星的能力起到了提升。以具有高分辨率的WoeldView-4卫星为例，在装有CMG之后，其成像目标的转换速度大大提升。此前采用传统动量轮的话至少需要30秒到45秒，而现在5秒钟之内就可以搞定了。
应用于遥感卫星的小型变速控制力矩陀螺
所以如今控制力矩陀螺的研究一直处在进步当中，毕竟现实的需求摆在那里。针对卫星而言，它会和卫星一样，朝着“更迷你”的方向走去。
需要注意的是，虽然从以上看起来控制力矩陀螺哪里都好，而且对于大型长寿的航天器而言，是首选的装置。但是并不代表着这种装置不会出故障，而且根据资料来看，由于长期维持着高速运行，它轴系承受的载荷是非常大的，此前国际空间站的控制力矩陀螺发生的故障就与此相关。
更换国际空间站的CMG-3
以上是该装置在航天领域中的运用，而实际上，早在很久以前，控制力矩陀螺在其他的领域中大放异彩了。
系列化磁悬浮轴承控制力矩陀螺
扩展使用
咱们初次在航天器上见到这种“铁球”，会觉得特别的新奇，以为是什么新的技术。而实际上，控制力矩陀螺在海洋和陆地之上的使用是非常早的，可能从十九世纪时就已经存在了。
以海上航行为例，船只往往会受到海浪的推波助澜，这时就会变得非常颠簸。不仅会让船上的人头晕眼花，还会使船中设备的使用也受到影响。这时控制力矩陀螺一出马，就解决了问题。在船上，它叫做“减摇陀螺”，与传统的减摇鳍以及水仓相比，它的效果更好且安装方便。
船只上的陀螺减摇器示意图
值得一提的是，船只上的减摇陀螺其最大输出力矩甚至比国际空间站得还要高，且一般不会像空间站一样采用电机驱动。
相关阅读 >>
全球首款测温tws耳机！荣耀earbuds 3 pro开箱图
ipf2022浪潮信息生态伙伴大会召开 智算创见加速数实相融
苹果发布 ios 16.6/ipados 16.6 开发者预览版 beta 1
更多相关阅读请进入《新闻资讯》频道 >>
