大兵老師的神奇小屋

王依兵

一周的時間過得飛快，壯壯、小菲和小天又出現在了熟悉的實驗樓一層。小天第一個把手按到走廊盡頭的墻上，墻上的手印處再次發出了明亮的光，那個光影閃爍的屏幕又出現了！

屏幕上出現了四幅畫，從上到下分別是鴿子、布谷鳥、烏鴉和喜鵲，最下面是一個數字密碼盤，顯示需要輸入四個數字。小天撓撓頭說：“這是什么意思呢？”壯壯說：“難道是從這四幅畫中可以得到四個數字？可是這里面也沒有數字啊！”小菲突然做出一個噤聲的動作，然后說：“噓！小聲點兒，你們聽……”壯壯和小天面帶疑惑停止了對話，豎著耳朵仔細聆聽周圍的聲音……

“啊！啊！布谷！布谷！”

“布谷！咕咕咕！啊！”

“喳！喳！啊！咕咕！啊！”

“布谷！咕咕咕！”

“哦，我懂了！這個謎題很簡單！”說著，小天在密碼盤里迅速輸入了“8452”四個數字。神奇小屋的大門一下子打開了！

小菲贊嘆道：“沒想到這次小天反應這么快！”

小天得意地說：“那當然，小菜一碟！”說完，他第一個跑進了神奇小屋。

壯壯說：“不就是數數它們叫了幾聲嗎？其實我也想出答案了，不過這次被小天搶了先，看來只能等下次了。”

三位同學走進神奇小屋，卻發現屋里一片漆黑，伸手不見五指。

小菲說：“什么情況，是停電了嗎？”

小天和壯壯也停下腳步，不敢再向前走了。

“別怕，神奇小屋的新能源系統剛剛建好，正在進行測試，燈馬上就亮！”

大兵老師的聲音從一個角落傳來。話音剛落，整個房間的燈瞬間亮起，晃得三位同學睜不開眼睛。

大兵老師：“進入黑暗的環境后，你們的瞳孔逐漸擴大，現在燈突然亮起，肯定會感覺有點兒不適應，你們可以先把眼睛閉上，適應一下再慢慢睜開。”

小菲用手捂住眼睛說：“真是太晃眼了！不過什么是‘新能源系統’呢？”

壯壯插話說：“我知道，我爸爸開的汽車就是一輛新能源汽車，它是由純電力驅動的，所以新能源應該就是電能吧。”

小菲顯然對這個回答并不滿意：“神奇小屋以前用的也是電能啊，既然更新了系統，一定和以前有什么不一樣的地方吧！”

大兵老師緩緩說道：“你們說得沒錯，新能源的獲得方式與傳統的燃燒化石燃料的方式不同。由于石油等化石燃料是不可再生的，而且燃燒產生的廢氣會造成空氣污染，排放的二氧化碳還會產生溫室效應，所以人類一直在尋求更加清潔環保的新型能源來替代傳統能源。新能源包括太陽能、潮汐能、地熱能、氫能、風能、核能等等，我們的神奇小屋就更換了最新的太陽能發電系統。”

太陽能電池板

小天疑惑地問：“是在房頂上裝了太陽能電池板嗎？我家也有太陽能熱水器，可是在陰天的時候水就不太熱了。如果陰天的話，神奇小屋會斷電嗎？”

大兵老師：“這個問題問得非常好！神奇小屋的太陽能發電裝置和你家太陽能熱水器的原理類似，但又不完全一樣。我們使用的裝置是把光照轉換為電能后儲存起來，再按照需要釋放。這個裝置采用了智能管理系統，在太陽光照強的時候會多儲存一些電能，以供陰天的時候使用。整體的能源管理是動態的，所以不會突然停電。”

小天恍然大悟：“原來是這樣啊，那可比簡單的太陽能熱水器高級多了！”

大兵老師繼續說：“是啊，不僅是太陽能，其他的新能源也都涉及能源管理的問題。因為像風能、潮汐能這樣的能量來源不穩定的能源，直接輸出給用戶肯定不行，必須對能源的產生、儲存和輸出進行科學的管理和控制。”

壯壯若有所思地問：“我們上次講到的人造地球衛星應該也是太陽能的吧？”

潮汐發電

大兵老師：“是的，人造地球衛星一般都會利用太陽能供電。有些人造地球衛星把太陽能電池片直接粘貼在外殼表面，但這種方式光照面積較小，提供的能量也較少。如果需要更多能量就需要使用太陽能帆板了！在發射的時候，衛星的太陽能帆板是折疊起來的，進入軌道后再展開。我們看到的衛星兩旁的‘翅膀’其實就是展開了的太陽能帆板。不過，有的衛星只有單側太陽能帆板，所以只能看到一個‘翅膀’，這可不是另一側的壞了啊！”

小菲問：“那單側帆板不會造成平衡問題嗎？”

衛星太陽能帆板

大兵老師：“這個問題也很好。如果飛機只有一個機翼肯定是不平衡的，但衛星是靠軌道動力學飛行的，在軌道高度上幾乎沒有空氣阻力，所以單側帆板也沒有什么關系。人造地球衛星對穩定性的要求主要體現在姿態控制上。”

壯壯問：“為什么人造地球衛星需要姿態控制呢？”

大兵老師回答道：“人造地球衛星有很多功能是需要對姿態進行控制的，比如通信衛星需要把天線朝向地面接收站的方向，天文觀測衛星需要對準觀測的天體，等等。而且，如果人造地球衛星在天上隨意翻滾，對衛星的機動變軌和軌道維持都會造成很大的麻煩。”

小菲問：“那怎么才能讓人造地球衛星‘乖乖聽話’呢？”

大兵老師：“目前衛星姿態的穩定控制主要有三種方式：自旋穩定控制、重力梯度穩定控制和三軸穩定控制。首先我們來說一說自旋穩定控制。你們都玩過陀螺吧？”

小天笑著從書包里拿出一個陀螺說：“碰巧今天科學課的時候，我們就做了一個陀螺。”說著他把陀螺放在桌子上，用手一捻，陀螺就旋轉了起來。

壯壯和小菲看了，也立刻開始在書包里翻找起陀螺來。

大兵老師趕緊說：“你們別拿了，用小天的就可以了。你們看，陀螺旋轉的時候，旋轉方向是比較穩定的。如果衛星是一個球形、橢球形狀的回轉體，也可以像陀螺一樣通過繞著對稱軸的高速旋轉獲得姿態穩定性。比如，我國發射的‘東方紅二號’就是使用自旋穩定控制的。你們看看它是什么形狀？”

說著，神奇小屋的墻壁上投影出了“東方紅二號”的三維模型。

東方紅二號

壯壯說：“圓柱體！”

大兵老師：“沒錯，圓柱體就是一個旋轉對稱的形狀，只有旋轉對稱的衛星才能使用這種穩定方式。”

小天問：“那如果不是旋轉對稱的該怎么辦呢？”

大兵老師：“我們還有其他方式啊！第二種方法是重力梯度穩定控制。很多衛星都在頂部加了一根長‘棍子’，這叫重力桿。加上重力桿后變得‘細長’的衛星會更難翻轉，這樣就具備了穩定性。”

小菲：“那這么長的桿子，發射的時候不礙事嗎？”

大兵老師：“確實比較礙事，所以一般重力桿都是伸縮式的，發射的時候收起來，到達運行軌道后再伸長。”

壯壯：“真巧妙啊！第三種方法又是什么樣的呢？”

大兵老師：“第三種方法就是現在主流的三軸穩定控制了。這種方法是在衛星上安裝姿態控制發動機，控制衛星三個方向的姿態角。這樣的方式對衛星的形狀沒有特別要求，控制也可以更加精細和準確，還能根據需要隨時調整衛星的姿態角。”

壯壯：“那真是太方便了！”

大兵老師說：“通過這兩周的學習，大家已經了解了人造地球衛星的兩種重要結構——太陽能帆板和溫度結構。除此以外，衛星還有與火箭連接的承力結構、外殼、天線結構和安裝部件等，它們共同構成了衛星的整體。由于航天發射的成本非常高，所以衛星結構的每一克重量都是非常寶貴的，需要精心設計才能‘又好又省’地發揮衛星的作用。好了，今天的活動就到這里吧。另外，小天的陀螺能借給我玩幾天嗎？”

小天：“好吧……”