航天员“抡手臂”就能转身，没胳膊的卫星咋办？出品：科普中国制作：徐鹏晖

出品：科普中国
制作：徐鹏晖（中国科学院国家空间科学中心）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2021年12月9日， “太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课，这也是时隔8年之后我国航天员再度进行太空授课。
三位航天员演示了太空转身、水球开花等实验，向我们展示了微重力环境下航天员们奇特生活方式的冰山一角。

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△太空授课直播现场（图片来源：新华社B站）
太空转身为什么这么难？都是角动量在作怪
为何在地面上看起来如此平常的转身动作，在太空中做起来却如此困难呢？
这其实是角动量守恒原理的作用。角动量是描述物体转动的一个参量，一般来说，物体质量越大、转速越快、转动半径越大，角动量越大。而角动量守恒是指一个物体在转动时，如果不受外力作用或者外力扭转作用为0 ，则角动量保持不变。
当人在太空中处于漂浮状态时，在初始角动量为0（也就是静止不旋转）的情况下，如果不借助任何外部物体，是无法靠扭动身体转起来的。航天员叶光富在实验中的尝试已经证明了这一点，而在地面上的我们则可以通过向地面借力的方法使自己转起来。

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△航天员叶光富在太空转身实验中尝试通过转动上半身让自己旋转起来，但失败了（图片来源：新华社B站）
在这次尝试中有一个细节，叶光富在试图转动上半身时，下半身会自动往相反的方向转。这是因为上半身转起来时会产生一个角动量，而下半身会自动产生一个方向相反的角动量，抵消上半身转动产生的角动量以实现守恒。但在此之后，由于腰椎和腰部肌肉的限制，上半身没法继续转动了（毕竟人没办法让上半身和下半身分离然后让它们各自转），尝试就此失败。
这给我们提供了一个新思路，我们只需要寻找身体上能自由全角度转动的部位，然后让它转起来提供一个角动量，那么身体主体就会产生一个相反的角动量从而转起来。所以后来叶光富成功通过抡手臂的方式实现了转身（同理你也可以尝试抡大腿画圆，不过那可能操作难度太大）。

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△航天员叶光富尝试抡右手手臂，成功实现转身（图片来源：新华社B站）
面临“转身”问题的除了航天员，还有它们
需要解决“转身”问题的，除了航天员，还有在太空中飞行的卫星。它们和航天员们的情况类似，在没有其他东西可以依靠的环境下，卫星如何才能实现自主转向？这个时候，从上次太空授课讲述的陀螺定轴性衍生而来的单自旋稳定就显得不够用了。
单自旋稳定是早期人造卫星采用的一种姿控方式，它通过直接让卫星整体自转的方法保持卫星姿态稳定。但随着太空任务内容的扩展，面对需要对地球定向以及高精度定向的需求时，单自旋稳定的姿控方式就有些力不从心。

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△东方红一号卫星就采用单自旋稳定作为姿控方式（图片来源：中国航天博物馆）