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为什么火箭是竖着飞的呢?

图中这种没有尾翼的火箭,在飞行中,是不稳定的系统,一般都需要通过底部矢量喷口的角度、强度来保持其稳定。这属于自动控制方面的理论,简单来说,火箭会有传感器感受当前的姿态,并预判之后的姿态,从而控制发动机喷口,来使得其姿态稳定。

> 图示:火箭的喷口,可以改变方向,从而保持火箭的稳定。

所谓「不稳定的系统」,指的是,在火箭飞行的过程中,微小的扰动会被自然地放大,比如:如果火箭在飞行时歪了一度,那么,在惯性力(火箭自身参考系)、空气阻力的共同作用下,会使得这个角度自然地放大。这个时候,火箭就是不稳定的。而一个稳定的系统则不然,比如一个秋千,你去推它一下,它会有摆回来的趋势;而如果一个系统能够对外界做出反应,去自动的抵消外界的影响,则有可能使得其稳定性大大提高。比如说,商店里的人体模型,很容易被推倒,但一个真正的人则不那么容易,因为人会对外界做出反应。

在一些其他类似火箭的东西,例如导弹上,还能看到尾翼。适当的尾翼可以使得导弹、火箭在飞行时保持稳定:

比如上面的示意图,在飞行时,若有偏移,弹身所受的阻力,可能会使得偏移加剧,但是尾翼会提供相反方向的力,使得导弹稳定。现代的一些新一代火箭、导弹,不使用尾翼,主要是为了减轻阻力,从而飞的更快,稳定的工作,则交由电脑、自动控制系统来完成。

要使火箭垂直发射而不会歪掉,科学家们做了很多工作。

1、 一些火箭为保持垂直发射,应用了圆柱体自旋稳定的特性。点火离开发射架之后,火箭自身将绕着轴线旋转,姿态保持垂直。这种做法,一般用于小型火箭,如探空火箭等。这也是为什么火箭采用对称圆柱体形状。我们在观看一些火箭发射视频时,会发现一些火箭在绕着轴线高速旋转,然后姿态才慢慢稳定,不再旋转。

2、 现在的大型火箭,都是利用了矢量发动机的原理。将后推力发动机布置在重力方向上,利用推力来平衡重力,这样就保持了火箭垂直发射。当然在发射过程中,或者是在飞行过程中,火箭将受到外界的扰动,这样火箭将偏离垂直方向。为了防止这种事情发生,火箭上还安装了陀螺仪等姿态敏感器,以及相应的控制系统,当姿态敏感器感知到火箭的姿态与设计姿态不吻合时,通过一定的算法,改变火箭上推力的方向和大小,从而实现对火箭姿态的调整。

3、 为了保证垂直发射的顺利进行,现代大型火箭多采用垂直组装、垂直运输、垂直加注燃料的方式,以确保火箭上的各种设备在安装时就适应发射状态,减少不确定性,增加火箭发射的可靠性。

4、 火箭垂直发射后将飞行一段时间。然后根据入轨的需要,对火箭姿态进行重新修正,使火箭偏离垂直状态,进入预定轨道。也就是,根据任务的需要,后面还是会“歪”哦。

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