大兵老师的神奇小屋

王依兵

一周的时间过得飞快，壮壮、小菲和小天又出现在了熟悉的实验楼一层。小天第一个把手按到走廊尽头的墙上，墙上的手印处再次发出了明亮的光，那个光影闪烁的屏幕又出现了！

屏幕上出现了四幅画，从上到下分别是鸽子、布谷鸟、乌鸦和喜鹊，最下面是一个数字密码盘，显示需要输入四个数字。小天挠挠头说：“这是什么意思呢？”壮壮说：“难道是从这四幅画中可以得到四个数字？可是这里面也没有数字啊！”小菲突然做出一个噤声的动作，然后说：“嘘！小声点儿，你们听……”壮壮和小天面带疑惑停止了对话，竖着耳朵仔细聆听周围的声音……

“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！这个谜题很简单！”說着，小天在密码盘里迅速输入了“8452”四个数字。神奇小屋的大门一下子打开了！

小菲赞叹道：“没想到这次小天反应这么快！”

小天得意地说：“那当然，小菜一碟！”说完，他第一个跑进了神奇小屋。

壮壮说：“不就是数数它们叫了几声吗？其实我也想出答案了，不过这次被小天抢了先，看来只能等下次了。”

三位同学走进神奇小屋，却发现屋里一片漆黑，伸手不见五指。

小菲说：“什么情况，是停电了吗？”

小天和壮壮也停下脚步，不敢再向前走了。

“别怕，神奇小屋的新能源系统刚刚建好，正在进行测试，灯马上就亮！”

大兵老师的声音从一个角落传来。话音刚落，整个房间的灯瞬间亮起，晃得三位同学睁不开眼睛。

大兵老师：“进入黑暗的环境后，你们的瞳孔逐渐扩大，现在灯突然亮起，肯定会感觉有点儿不适应，你们可以先把眼睛闭上，适应一下再慢慢睁开。”

小菲用手捂住眼睛说：“真是太晃眼了！不过什么是‘新能源系统’呢？”

壮壮插话说：“我知道，我爸爸开的汽车就是一辆新能源汽车，它是由纯电力驱动的，所以新能源应该就是电能吧。”

小菲显然对这个回答并不满意：“神奇小屋以前用的也是电能啊，既然更新了系统，一定和以前有什么不一样的地方吧！”

大兵老师缓缓说道：“你们说得没错，新能源的获得方式与传统的燃烧化石燃料的方式不同。由于石油等化石燃料是不可再生的，而且燃烧产生的废气会造成空气污染，排放的二氧化碳还会产生温室效应，所以人类一直在寻求更加清洁环保的新型能源来替代传统能源。新能源包括太阳能、潮汐能、地热能、氢能、风能、核能等等，我们的神奇小屋就更换了最新的太阳能发电系统。”

太阳能电池板

小天疑惑地问：“是在房顶上装了太阳能电池板吗？我家也有太阳能热水器，可是在阴天的时候水就不太热了。如果阴天的话，神奇小屋会断电吗？”

大兵老师：“这个问题问得非常好！神奇小屋的太阳能发电装置和你家太阳能热水器的原理类似，但又不完全一样。我们使用的装置是把光照转换为电能后储存起来，再按照需要释放。这个装置采用了智能管理系统，在太阳光照强的时候会多储存一些电能，以供阴天的时候使用。整体的能源管理是动态的，所以不会突然停电。”

小天恍然大悟：“原来是这样啊，那可比简单的太阳能热水器高级多了！”

大兵老师继续说：“是啊，不仅是太阳能，其他的新能源也都涉及能源管理的问题。因为像风能、潮汐能这样的能量来源不稳定的能源，直接输出给用户肯定不行，必须对能源的产生、储存和输出进行科学的管理和控制。”

壮壮若有所思地问：“我们上次讲到的人造地球卫星应该也是太阳能的吧？”

潮汐发电

大兵老师：“是的，人造地球卫星一般都会利用太阳能供电。有些人造地球卫星把太阳能电池片直接粘贴在外壳表面，但这种方式光照面积较小，提供的能量也较少。如果需要更多能量就需要使用太阳能帆板了！在发射的时候，卫星的太阳能帆板是折叠起来的，进入轨道后再展开。我们看到的卫星两旁的‘翅膀’其实就是展开了的太阳能帆板。不过，有的卫星只有单侧太阳能帆板，所以只能看到一个‘翅膀’，这可不是另一侧的坏了啊！”

小菲问：“那单侧帆板不会造成平衡问题吗？”

卫星太阳能帆板

大兵老师：“这个问题也很好。如果飞机只有一个机翼肯定是不平衡的，但卫星是靠轨道动力学飞行的，在轨道高度上几乎没有空气阻力，所以单侧帆板也没有什么关系。人造地球卫星对稳定性的要求主要体现在姿态控制上。”

壮壮问：“为什么人造地球卫星需要姿态控制呢？”

大兵老师回答道：“人造地球卫星有很多功能是需要对姿态进行控制的，比如通信卫星需要把天线朝向地面接收站的方向，天文观测卫星需要对准观测的天体，等等。而且，如果人造地球卫星在天上随意翻滚，对卫星的机动变轨和轨道维持都会造成很大的麻烦。”

小菲问：“那怎么才能让人造地球卫星‘乖乖听话’呢？”

大兵老师：“目前卫星姿态的稳定控制主要有三种方式：自旋稳定控制、重力梯度稳定控制和三轴稳定控制。首先我们来说一说自旋稳定控制。你们都玩过陀螺吧？”

小天笑着从书包里拿出一个陀螺说：“碰巧今天科学课的时候，我们就做了一个陀螺。”说着他把陀螺放在桌子上，用手一捻，陀螺就旋轉了起来。

壮壮和小菲看了，也立刻开始在书包里翻找起陀螺来。

大兵老师赶紧说：“你们别拿了，用小天的就可以了。你们看，陀螺旋转的时候，旋转方向是比较稳定的。如果卫星是一个球形、椭球形状的回转体，也可以像陀螺一样通过绕着对称轴的高速旋转获得姿态稳定性。比如，我国发射的‘东方红二号’就是使用自旋稳定控制的。你们看看它是什么形状？”

说着，神奇小屋的墙壁上投影出了“东方红二号”的三维模型。

东方红二号

壮壮说：“圆柱体！”

大兵老师：“没错，圆柱体就是一个旋转对称的形状，只有旋转对称的卫星才能使用这种稳定方式。”

小天问：“那如果不是旋转对称的该怎么办呢？”

大兵老师：“我们还有其他方式啊！第二种方法是重力梯度稳定控制。很多卫星都在顶部加了一根长‘棍子’，这叫重力杆。加上重力杆后变得‘细长’的卫星会更难翻转，这样就具备了稳定性。”

小菲：“那这么长的杆子，发射的时候不碍事吗？”

大兵老师：“确实比较碍事，所以一般重力杆都是伸缩式的，发射的时候收起来，到达运行轨道后再伸长。”

壮壮：“真巧妙啊！第三种方法又是什么样的呢？”

大兵老师：“第三种方法就是现在主流的三轴稳定控制了。这种方法是在卫星上安装姿态控制发动机，控制卫星三个方向的姿态角。这样的方式对卫星的形状没有特别要求，控制也可以更加精细和准确，还能根据需要随时调整卫星的姿态角。”

壮壮：“那真是太方便了！”

大兵老师说：“通过这两周的学习，大家已经了解了人造地球卫星的两种重要结构——太阳能帆板和温度结构。除此以外，卫星还有与火箭连接的承力结构、外壳、天线结构和安装部件等，它们共同构成了卫星的整体。由于航天发射的成本非常高，所以卫星结构的每一克重量都是非常宝贵的，需要精心设计才能‘又好又省’地发挥卫星的作用。好了，今天的活动就到这里吧。另外，小天的陀螺能借给我玩几天吗？”

小天：“好吧……”