陀螺仪——航天器的指南针

　　文/ 杜骏豪

　　同学，你玩过陀螺吗？陀螺静止的时候是无法立住的，但是当你把陀螺快速旋转起来的时候，它就能“金鸡独立”了。你知道吗？这样一个随处可见的小小玩具，它蕴含的原理可以帮助火箭和宇宙飞船飞向正确的方向呢！许多交通工具上都安装有陀螺仪，这是一种运用陀螺的原理、能够测量运动物体相对惯性空间角运动（角位移或角速度）的装置，主要用于飞机、舰船、导弹、航天器及车辆的控制、导航等。今天，我们就一起来认识神奇的陀螺仪吧！

　　陀螺仪是谁发明的？

　　地球围绕太阳公转，而且还会绕着地轴稳定自转，每24 个小时自转一周。为什么地球的自转如此规律，不会混沌地摇摆呢？ 1852 年，法国物理学家莱昂• 傅科发现地球自转与陀螺旋转有异曲同工之妙，于是发明了最早的陀螺仪，向大家演示地球自转的原理。

　　几十年后，人们逐渐认识到一个小小的陀螺竟然可以解决船舶航行时确定方向的问题。1906 年，德国海军工程师施里克在一艘鱼雷艇上进行了陀螺仪稳定性的实验。在波涛汹涌的大海上，任凭船舶如何摇摆，陀螺仪均可以保持稳定，像定海神针一样为船员指明航向。

　　后来，随着技术的逐渐完善，陀螺仪很快被安装在潜艇、飞机、飞艇等各种交通工具上，发挥着举足轻重的作用。火箭作为人类目前能飞向地球以外茫茫宇宙的交通工具，自然也少不了陀螺仪的身影。德国的V2 导弹作为世界火箭的“先驱”，在设计之初就配备了陀螺仪。如今我们能见到的每一艘火箭、每一颗卫星、每一艘载人飞船上都搭载有陀螺仪。

　　陀螺仪为何有此身手？

　　飞速旋转的陀螺与地面只通过一个点接触，竟然可以保持平衡而不倒，这种看似神奇的“魔力”其实是物理学中一个非常基础的概念——角动量守恒。

　　这个名词可能会让你一头雾水，但其实蕴藏的原理很简单：角动量是描述物体转动状态的物理量，飞速旋转的物体都有角动量，而角动量的方向具有稳定不变的特点。拿玩具陀螺来说，飞速旋转的陀螺拥有角动量，角动量的方向具有守恒的特性，因此旋转的陀螺可以保持直立姿态，不会倾倒。陀螺旋转的速度越快，越容易维持姿态的平衡。

　　当外力试图改变陀螺的旋转方向时，陀螺便会抵抗这一外力。因此，安装陀螺仪之后，一旦火箭的飞行方向发生偏转，旋转的陀螺便会感知到这一变化的外力，从而由传感器传递给电脑。经过数据分析之后，电脑可以根据外力的大小、方向来判断火箭飞行方向有没有发生变化。火箭的陀螺仪和电脑一般都安装在火箭的顶部位置，因为这里摆动幅度最大，能更灵敏地监测到数据的变化。

　　一套完整的火箭陀螺仪通常包含三个独立的陀螺，分别负责检测上下、左右和前后三个方向（俯仰、偏航和滚动）。火箭飞行时会遇到空气阻力等各种扰动，使火箭飞行的方向产生偏差，陀螺仪可以实时检测这些扰动，电脑会实时修正火箭的飞行航向，确保火箭精准到达目的地。为了防止可能的失效与故障，一个航天器会同时配备多套陀螺仪。

　　哈勃空间望远镜的陀螺仪故障

　　大名鼎鼎的哈勃空间望远镜自1990 年发射以来，已运行了34 年，为全世界的天文学家提供了宝贵的科学数据。它配有6 套陀螺仪，每套陀螺仪内部的转轮以每分钟19200 转的高速旋转。30 多年勤勤恳恳地工作，这些陀螺仪出现了明显的老化，其中3 套目前已经“累瘫”——完全停摆。

　　对于哈勃这类天基望远镜，只有拥有稳定的姿态，才可以稳定瞄准观测目标。2024 年4 月，哈勃上3 套仍在运转的陀螺仪中的一套发生了故障，导致它自动进入安全模式，停止观测活动。科学家与工程师们正在研究延寿方案，以期“年事已高”的哈勃能取得更多发现。

　　更高级的陀螺仪

　　凭借机械转动来确定方向的经典陀螺仪耗能较高，结构复杂。随着技术的发展，目前火箭和卫星上已经配备了激光陀螺仪、光纤陀螺仪等更先进的陀螺仪。它们凭借光速等特性来精准确定航天器的飞行姿态，精度更高，反应更快，体积更小。

　　智能手机内也有陀螺仪，常见的是微电机陀螺仪，通过测量微小的电容变化来感知自身的姿态变化，在一些导航、游戏软件里大显身手。

　　穿越云霄的火箭确定航向，口袋中的智能手机感知姿态，小朋友手中的陀螺玩具飞速旋转，背后的原理就是如此相通。看似遥不可及的高端科技，其实所蕴含的科学原理很可能就跟我们日常生活中常见的事物息息相关。你还能举出类似的例子吗？