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空间站机械臂轻松抓起9吨货运飞船,抓卫星没问题?

上了年纪的朋友对京剧《海港》里的一句歌词应该耳熟能详,甚至能随口哼唱出来:“大吊车,真厉害!成吨的钢铁,它轻轻地一抓就起来!”

现在中国空间站上10米长的机械臂,它能稳稳抓起9吨重的天舟二号货运飞船,并且将它转过来调过去,轻松自如!比京戏里的“大吊车”厉害得多吧?

机械臂移动货运飞船

有朋友说了,老周你这是偷换概念,太空里是失重状态,9吨根本就不是个事!哈哈,你讲对了一半,重量是物体质量在地面的表现,虽说太空“失重”,但因为有惯性,重量(质量)与速度它都是大问题

2022年1月6号一大早,按照事先制定的试验计划,中国空间站上的航天员操纵机械臂抓住了天舟二号货运飞船,将飞船从空间站节点舱的正向对接口往旁边偏转了20°,紧接着再把它转回到正向对接口,对接、锁定,整个转位过程耗时约47分钟。

天舟二号转到前向对接

天舟二号是为神舟十二号飞行乘组运送补给物资的货运飞船,按理说在神舟十二号三名航天员返回地球后,天舟二号就算完成了它的使命,也应该脱离空间站坠入大气层,但它没有这么做,而是从空间站后边飞到前边,对接在节点舱前向端口上。

2022年,“问天”和“梦天”号实验舱将发射升空,与核心舱对接。实验舱上没有发动机,它没办法像载人飞船或货运飞船那样完成全向对接,只能是直接怼到节点舱的前向端口上,这时候就需要用机械臂抓着它再转移到侧面。

实验舱从前向转到侧向

机械臂之前有载着航天员在舱外运动,但没抓过实验舱这么重的物体,它究竟行不行?得先找个大家伙“练一练手”。实验舱质量超过20吨,天舟二号加上它内部的剩余物资大约9吨,做试验是够的了。

机械臂辅助实验舱侧向对接

天宫空间站机械臂转位实验成功的消息传来,各大平台的评论区“炸”了,许多人都在兴奋地讨论“抓卫星”的事。你想啊:天舟货运飞船重9吨,咱机械臂都能把它拎来转去,星链卫星才260公斤,不到飞船的34分之一,抓它岂不是小菜一碟?

大家都想“抓卫星”

那么,空间站的机械臂真能抓住飞过来的卫星吗?答案是:几乎不可能。

机械臂上没有“手”,它实际上是靠一个“末端执行机构”与飞船上的“目标适配器”相结合,只有二者相互匹配才能“抓住”并锁定飞船。

即使以后我们真的给空间站机械臂上安装了一只手,它就能临空抓住卫星或者飞过来的太空垃圾吗?这时候还需要计算一下机械手与目标物体的相对速度,因为速度决定着二者相遇时的动能。

“剪太阳能帆板”是否可能?

中国空间站以41.58°的轨道倾角绕地球飞行,星链卫星的倾角则是53°。因为飞行角度不同,无论星链卫星从上往下还是自下而上与中国空间站相遇,它们都不会相互并行,而是有一个相遇的角度,这个角度有可能是11.42°(两个倾角相减),或者是94.58°(倾角相加)。

在距离地面390公里的近圆轨道上,大部分航天器都以7.68公里/秒的速度飞行,两个航天器有相遇的角度,就会产生相互接近的速度。经过计算,当星链卫星以11.42°接近天宫空间站时,二者相对速度约为1.44公里/秒;而当卫星以94.58°角冲向空间站,其相对速度高达11.27公里/秒(33倍音速)!

因为角度差,星链的接近速度极快

虽然货运飞船的质量达到9吨,但机械臂带着它运动的速度非常慢,47分钟才来回转动20°,飞船质心在单向20分钟时间里的运动距离大约为5米,运动速度4毫米/秒,其动能仅约0.08焦耳,所以机械臂克服飞船惯性所需要的力也不大。

天舟二号转位速度非常慢

但是对于飞过来的卫星就不一样了。根据动能定理:

动能与速度的平方成正比

物体的动能跟它运动速度的平方成正比,只要速度够快,一个小质量的物体也能拥有强大动能,也因此具备极强的破坏力。一颗以700米/秒飞行的子弹尽管只有8克重,它的动能达1960焦耳,能轻松击穿钢板;而星链卫星接近空间站的最小速度达1440米/秒,其动能接近270兆焦耳,超过天舟二号飞船移动动能的33亿倍!

在如此强大的撞击能量面前,我们要考虑的不是如何抓住飞来的卫星,而是怎么收拾空间站的碎片了。

货运飞船转了20度

讲到这里你应该明白了:天宫空间站的机械臂之所以能抓住重达9吨的货运飞船转来转去,一个最主要的原因是它运动的速度慢,动能小。而无论星链卫星还是其它空间碎片,由于它接近空间站的速度非常快,动能极大,破坏力也极强,要想用机械臂去抓它是不可能的。

面对太空垃圾,我们还是得想办法在尽可能远的地方就将其解决掉,不让它有机会接近空间站。