天舟四号飞船运了一个“铁疙瘩”，重达170公斤，快递费约850万！

在神舟十四号顺利对接天宫空间站的第二天，中国太空出差三人组就打开了天舟四号货运飞船的舱门，开始快乐地拆快递。

神舟十四号乘组进入空间站

在天舟飞船宽敞的货仓里足足塞了200多个大小包裹共5吨货物，其中航天员在半年时间里吃喝穿用的生活必需品有175个货包共4.08吨！其它是一些为核心舱补充的损耗品、环控生保产品、实验载荷、仪器设备等等。液体货舱里还有约700多公斤补加推进剂，加上用于飞船自身推进的1吨燃料会有节余，也将用于为核心舱实施燃料补加，这样算起来“快递小哥”总共携带了约6吨多的货。

天舟飞船是全球最能装的货运飞船

货舱里还装了一个大“铁疙瘩”，它重达170公斤，是有史以来天舟飞船运送的最重的单件货物。

了解航天发射的朋友都知道，“太空快递”高大上，运费从来都不便宜，美国货运飞船每运送1克物资所需要的费用大约与1克黄金等价。而中国长征七号运载火箭一次发射费用，加上一艘天舟飞船，总价也不低于3亿人民币。按天舟四号带货6吨计算，每公斤物资“快递费”达5万元人民币，送这个170公斤的“铁疙瘩”到空间站则需要花掉850万！

正在安装的"铁疙瘩"是力矩陀螺

究竟是什么东西值得耗费巨资送上太空？它都有哪些重要作用呢？

这个死沉死沉的铁疙瘩叫“控制力矩陀螺”（CMG），或者简单点叫“力矩陀螺”，是航天器姿态控制的关键部件。

在天和核心舱外边歪歪扭扭地装了6个白色球形的东西，一些朋友不知其用途，猜它会不会是雷达天线罩。其实这些球里边就是力矩陀螺，6个总重超过1吨！

天和核心舱外边的CMG

不仅如此，“问天”实验舱里也装有几个这样的陀螺，它们同样用于姿态控制。

我们经常在电视里看到天宫空间站，它都是以“腹部”对着地球、“背部”朝向太空（又称“天顶”）。但是你知道吗？无论我们向太空发射什么样的航天器，它都不会保持其中一面朝向地面，从地面看上去它是每飞一圈翻一个“跟斗”。

卫星会保持自己的角动量

太空中飞行的所有物体，在没有外力作用时都会保持自己的角动量，这是物体的基本特性。

为了维持对地观测与通信，空间站需要将一部分天线始终指向地面，而另一些天线始终向上对着地球同步轨道卫星；天宫空间站以41.58°的倾角绕地球飞行，也需要将最坚固的部分始终朝向可能有流星撞击的方向。加上其它一些因素，我们需要让它始终以“腹部”朝向地球。其实上对于空间站自身而言，它每绕地球转一圈都要翻一个跟斗。

空间站每绕地球一周就要翻个跟斗

有朋友说，这很简单啊，我们只需要在空间站的前面向下施加一个力，让它每90分钟翻转360°，这样从地面看起来就始终是肚皮朝下了。

这是个很聪明的想法。同时我们还需要考虑到空间站其实是在稀薄的空气中飞行，为了将巨大的太阳翼始终对着太阳，它需要让太阳帆板旋转，这个旋转的力会作用到空间站自身，并且它受到空气阻力每一刻都在发生变化。

另外，飞船的对接与脱离、空间站里航天员的每一次移动都会将力量传递给空间站，从而改变它的姿态，尽管有时候力量很轻微，却依然会对太空微重力实验造成干扰，所以我们需要经常性地启动发动机来控制空间站的姿态。

天舟飞船启动姿态控制发动机调姿

开启姿态控制发动机就需要消耗燃料，国际空间站每绕地球转一圈要22公斤推进剂用来调整姿态，一天就得340公斤，尽管推进剂本身很便宜，但将它们送上太空却很昂贵，这钱烧不起。

使用力矩陀螺就可以解决这个问题。

陀螺在高速旋转时拥有稳定的角动量，当我们改变陀螺旋转轴的角度或速度时，因为系统动量矩平衡，它会向外输出一个反扭矩。

一个角动量的实验

包括国际空间站、天宫空间站在内的许多航天器都采用力矩陀螺来对姿态进行精确控制，并且这种控制不消耗燃料，它使用电力驱动，而空间站上使用太阳能发电不花钱。

国际空间站通过安装在主桁架上的一组力矩陀螺来进行姿态控制，中国空间站的力矩陀螺则主要安装在核心舱外部（问天实验舱的那一组属于备份）。

核心舱外部的6个力矩陀螺

每个力矩陀螺里边都有一个沉重的钢轮，钢轮在电机的带动下以每分钟7000转的高速度旋转，从而产生约1000Nms的角动量；钢轮被安装在一组万向节上，实际上它能在计算机的控制下任意改变自转轴的角度。空间站上的姿态控制计算机会根据任务需要、结合传感器数据来计算改变姿态所需要的扭矩，然后调整相应陀螺自转轴的方向。中国空间站采用带动量管理的力矩平衡姿态（TEA）控制模式，使姿态角控制精度优于0.1°，姿态稳定度优于0.005°/s，达到国际领先水平。

一组动量轮的角度变化产生扭矩变化

长时间高速旋转对机械构件的损耗很大，因此力矩陀螺也是空间站上相对容易出故障的部件。尽管理论上只需要3个陀螺就能完成姿态控制，空间站上也有足够的陀螺实现冗余，但“有备无患”永远是航天人需要考虑的问题。曾经国际空间站上四个陀螺一下坏了两个，给姿态管理造成很大麻烦；而早年Skylab天空实验室三个陀螺坏了俩，造成美国唯一的空间站提前报废。

天宫空间站早早地就把维修备件带上太空的另一个原因是，天舟四号货运飞船最多能带6.9吨的物资，这次在携带必要的补给之外还有充足的载荷余量，提前把这么重的东西送到空间站存放在备品仓库里，就不用担心它未来跟其它重要的设备抢位置。

咱中国人从来不打无准备之仗。

天舟飞船货运能力世界第一

有朋友说这么重的东西航天员能不能拿得动？别担心，空间站是微重力状态，航天员移动170公斤重的陀螺仪完全没问题。只是质量越大惯性也越大，因此在移动过程中需要小心地控制速度，确保它不与别的东西发生碰撞就可以了。