你知道为什么中国空间站建设期间会有“空中旋转”吗？

2022年9月30日，天地合作约一小时后，空间站模块转移，中国空间站组合体暂时由“I”形构型变为“L”形构型。11月3日，蒙恬实验舱通过类似的换位程序使空间站形成一个“T”形构型。那么空间站舱体换位需要克服哪些技术难点呢？两次客舱换班有什么亮点？让我们找出答案。

为什么空间站是要“翻车”组装吗？

实验舱发射之初，停靠在天河核心舱节点舱前面，形成“一”字形构型。10月31日，蒙恬实验舱发射升空，次日成功对接天河核心舱前向端口。

有人不禁会想:为什么如果两个实验舱不直接连接到节点舱的侧面接口，一步到位达到最终状态呢？

这主要是因为空间站组装遵循第一宇宙速度。计算表明，如果实验舱直接从侧面接近空间站和核心舱，即使它们的轨道之间只有很小的夹角，双方的相对速度也会很可观，不能排除因控制失误而发生碰撞的风险。

这样的影响显然是科研人员无法接受的。虽然空间站每个舱体的设计制造都充分考虑了强度问题，但飞船受限于运载火箭的发射能力，不可能刻意无限加固，自然也承受不了高速冲击。更何况，即使机舱是安全的，态度剧变也会有很多隐患。

因此，两个实验舱最初在天河核心舱前面发射，位于同一平面和轨道上，以较小的相对速度值逐渐接近，实施对接。

根据轨道动力学的基本原理，在这个对接过程中，两者的轨道高度仍会发生相对变化，但只要控制好速度差，轨道高度变化会很微弱，不会超过对接机构的补偿能力。

初始对接完成后，经过一段时间的测试，天地团队确认实验舱状态正常，将使用机械臂辅助，将实验舱转移到天河核心舱侧对接接口。

可能有人会觉得太空处于失重状态，机械臂搬运20多吨的东西应该不难。

其实大舱移动带来的惯性也是不可忽视的。如果在分度过程中速度控制不好，会超过机械手的扭矩范围，造成危险。所以实验舱的换位过程相当谨慎，需要力矩陀螺的辅助。

力矩陀螺的“贡献”在哪里？根据角动量守恒原理，只要机械臂将实验模块向侧面移动一点，空间与核心模块的角度就会相应变化，向相反方向旋转。在这个过程中，空间站的轨道方向没有改变，但偏航角会发生较大变化，不利于太阳能帆板、散热板、数传天线等设备的工作。因此，需要依靠力矩陀螺来“消化”这部分角动量，使空间站组合体保持天空和核心模块与轨道切线平行。

太空中稀薄的大气会对空间站产生什么“蝴蝶效应”？

理论上，在真空环境中，任何形状的物体都可以保持原来的运动状态，不改变姿态和方向。然而，现实并不那么理想化。空间站的轨道高度达到数百公里，大气已经很稀薄，但还会不断积累微弱的大气阻力，逐渐对飞船的姿态和轨道产生重大影响。因此，近地轨道航天器仍需谨慎进行姿态控制。

比如烛台实验舱对接到节点舱侧面对接接口后，大气阻力问题就不容忽视。“探索”号实验舱的长度为17.9米，大圆柱的直径达到4.2米。加上太阳能机翼面板，相当于在空间站正前方形成了一个巨大的迎风面。

与国外同类相比，国际空间站因为大气阻力等问题，每个月的轨道高度都会下降2公里左右，必须通过飞船的增轨来补偿。那么中国空间站实验舱遇到的阻力问题也会导致各种后果，比如使整个空间站组件产生一定的扭矩。如果不修正相关扭矩，空间站组件将被推动旋转，并过度向一侧旋转。

同样，以航天飞机的换位过程为例，如果“L”的直角顶点最终稳定指向轨道飞行方向，且航天飞机与芯梭在轨道方向两侧呈45度角，那么对于太阳能发电、散热和无线电通信来说，并不是一个好的位置。此外，那时，空间站组件必须为蒙恬实验舱做好准备，空间站组件也必须回到正常位置，准备好天空和核心舱的前端接口。

要实现这一点，不平衡空气阻力产生的力矩必须通过力矩陀螺和推力器的共同作用来重新平衡。一般来说，这类计划工作更倾向于使用力矩陀螺，因为空间站上携带的燃料是珍贵而有限的，所以必须节约使用。虽然货运飞船定期向空间站运送物资，但太空环境复杂危险，空间站必须随时做好应对突发情况的准备。如果太空垃圾，微小天体，宇宙飞船等。异常接近，空间站需要消耗宝贵的燃料，改变轨道，并确保宇航员和设备的安全。

11月初，蒙恬实验舱与空间站组合体初步对接后，完成了换位工作，最终与天河核心舱侧向接口在另一个方向对接，这也是力矩陀螺与机械臂密切配合的结果。

随着11月3日蒙恬实验舱换位完成，中国空间站组合处于相对平衡状态:天河核心舱对接接口径向方向为神舟载人飞船，两侧分别为Quest舱和蒙恬舱，后部对接接口为天舟货运飞船。

航天员“太空交接”时，节点舱的对接接口也将迎来神舟载人飞船，同样需要面对阻力不平衡的问题。而神舟飞船的“迎风面积”比较小，不平衡力矩会比较轻微，用力矩陀螺简单校正就可以解决。

中国空间站转移方案有什么优势？

国外空间站之前经历过模块换位，采用的是垂直换位方案。换位后，总成的姿态会有很大的变化。其实中国空间站是世界上第一个采用平面换位方案的，效果更好。但相对于20多吨重的大型机舱，连接两舱的机械臂只有100多公斤，风险不小。所以实验舱的换位过程被形容为“一竿子挑起两头大象”。

整个索引过程中最大的限制因素应该是惯性。由于物体的动能与其速度的平方成正比，如果分度速度过快，冲击力会非常显著，给分度机构和机械臂带来巨大的扭矩，容易造成设备损坏。尤其是在机舱需要停车的时候，如果出现刹车的情况，惯性可能会让机械手有报废的危险。因此，飞机换位需要天地团队精确计算并严格控制机舱和机械手的运行速度。公开报道显示，科研单位在地面设施上做了大量的计算机仿真和气载平台仿真，解决了姿态控制、中继测控链路遮挡、能量平衡等诸多问题。此外，去年年初，天舟货运飞船在核心舱进行了索引。考虑到天舟货运飞船的体积和重量远小于烛台实验舱，非常适合天地团队和机械臂“练手”。

总之，经过相当复杂的操作，实验舱成功变址两次。如果要做一个简单的描述，要领就是“慢”和“准”:“慢”是指尽可能减小加速度，不能超过机械臂和分度机构的承载能力；“准”就是保证实验模块一次到位。

如今，中国空间站形成了水平对称的“T”形构型，航天专业人士认为这有三大好处。首先，可以保证整个质心居中，节省姿态控制所需的能量。其次，两个实验舱的气闸舱分别位于“T”字的水平两端，因此在正常泄压或异常隔离时，不会影响其他密封舱形成连贯的空间，从而保证安全。最后，要保证无论空间站以什么姿态飞行，两个实验舱末端的大型太阳能电池翼都能照在太阳上，使空间站每天的发电量达到近1000度，相当于一个普通家庭近半年的用电量，为中国空间站三舱组合体提供80%的能源，保证空间站上各种科学仪器的正常运行和航天员在轨的日常生活。