大兵老師的神奇小屋
——航天器導航與控制（一）

文/王依兵 圖/麥芽哈哈

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

壯壯被他氣得哭笑不得：“你不能當逃兵啊，快起來一起想！”說著就要伸手去拉坐在地上的小天。這時小菲突然來了靈感，說：“對，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字母：t、i、s。滴的一聲，墻壁上又一次出現了令人振奮的綠色“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？”

小菲一邊跑進神奇小屋一邊說：“就是英語單詞啊！”

壯壯也跟著跑進了神奇小屋，還在繼續追問：“你仔細講講呀！”

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

大兵老師已經在等候他們了，望著前面跑進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來了，祝賀你們！”

小菲驕傲地揚起了頭：“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。”

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，大家已經了解了各種航天器的基本功能和結構，但是這些航天器并不是發射上天就不用管了，后面還有很多工作要做。今天我們的話題就是航天器的導航與控制。”

壯壯問：“這是不是就意味著，我們需要時刻監視航天器飛到了什么地方呀？”

大兵老師回答：“對，但是還不全面。我們不但需要每時每刻關注航天器的飛行位置是不是在預定的軌道上，同時還得關心它的姿態是否正確。”

小菲問：“什么叫姿態呢？”

大兵老師說：“簡單地說，你站著和躺著，就是兩種不同的姿態。”

小天嚷嚷道：“我腿還麻著呢，現在就想躺下！”

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

小天喊著：“這地板什么時候被改造過啊？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。”

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硌屁股，也不會腿麻了……”

大家聽了又笑了起來。

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

大兵老師回答：“我們之前講過，人造衛星工作時要保持一個穩定的姿態，這是非常重要的。因為很多衛星是要對地進行觀測和傳輸信號的，需要有穩定的方向；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現交會對接，此時更需要姿態穩定。所以航天器在天上不停地翻跟頭可不行啊！”

小菲說：“如果航天器發生高速旋轉的話，是不是會產生比較大的離心力，導致內部元件的損壞啊？”

大兵老師夸獎道：“小菲補充得非常好，真實情況正是這樣。此外，載人的航天器更不能在天上亂轉，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呢？”

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

“航天器的姿態可以用繞著這三根軸旋轉的角度去確定。很多航天器自身具備一定的姿態穩定性，比如以前我們講過的自旋穩定和重力梯度穩定技術等，都可以讓人造衛星自動保持一定的穩定姿態。不過如果衛星一直繞著一個軸快速旋轉的話，在這個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軸都穩定的。當自動穩定技術不能滿足控制要求的時候，就需要主動控制它的姿態。這時候就得用到磁力矩器或航天器上的發動機噴口來提供一個力矩去修正它的姿態。”

軌道根數

壯壯問：“我大概明白了，那么航天器的軌道又是怎么測控的呢？”

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

說著，神奇小屋的天花板上又出現了一個橢圓的圖形，同時標出了一些關鍵的參數。

“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，就可以得到另一個參數：偏心率e。偏心率越大，說明這個橢圓越‘扁’。”

小天嘆了口氣說：“我怎么感覺有點兒頭暈了。”

大兵老師接著說：“沒關系，你只需要記住，只要知道這些參數里的兩個就可以確定下來橢圓的形狀了。一般來說會選擇半長軸和偏心率這兩個參數。”

大兵老師接著說：“然后，我們還需要知道這個橢圓對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，這個橢圓會與地球的赤道平面相交在兩個點上——升交點和降交點。這兩個點就是航天器向上飛時通過的交點和向下飛時通過的交點，我們知道一個就行了，一般選擇升交點。

“除此以外，我們通常還需要知道近地點的位置，也就是航天器飛到距離地球最近的那個點的位置。有了這五個參數，航天器的軌道就能準確地定下來了。這時候，我們如果知道航天器飛過近地點時的角度就完全可以知道它目前所在的位置，這個角度叫作真近點角。所以軌道的五個參數——半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點、近地點，再加上真近點角，合起來叫作六個‘軌道根數’。它們是確定航天器位置的‘六劍客’。”

小菲皺皺眉說：“聽起來挺‘霸氣’的，就是有點兒難理解。”

大兵老師笑著說：“沒關系，大家只需要了解在地球的衛星軌道上，飛行的航天器位置的確定需要這‘六劍客’就夠了。”

壯壯捂著腦袋說：“我有點兒暈了，信息量太大了！”

大兵老師說：“沒關系，慢慢來，我們下次再接著講吧，大家先好好‘消化’一下。”

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