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。
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:
这是个非常简单的问题,绝不是像某些网友说的那么复杂和神秘,最早研制火箭的时候确实遇到了这个难题,垂直发射除了火箭本身的重力因素还有起飞后其它外力因素影响,如空气阻力,都有可能造成火箭翻滚,但科学家很快找到了一个办法,彻底解决了火箭飞行姿态控制的难题,在火箭的前端的仪器仓内,安装了一个高速旋转的机电陀螺仪,陀螺仪有极强的定轴性,可保持火箭的飞行姿态不会跑偏甚至歪倒。而且科学家对陀螺仪进行了极限发挥,研发了以陀螺仪为基础的进速度表,进速度表就是将火箭的适时飞行数据利用传感或耦合方式输送给计算机,计算机通过飞控软件计算将计算结果传送给地面飞控中心,地面飞控中心再根据这些结果决定是否对火箭发出各种控制指令。尽管现代火箭技术发展迅猛,但飞控仍然是最薄弱的一环,为了保证发射安全,中国的神州系列火箭,都增加了飞控系统备份,如果一个系统出了故障,另一个系统会立刻起动工作!
火箭发射的时候,推力矢量是必须经过整个箭体质心,这是为了在各方向上都没有角速度,不然火箭就开翻了。这是大原则,所有火箭都必须遵守。这也是“为什么不会开歪掉”的原因。
为了做到这一点,火箭发射时,需要由陀螺仪、传感器和控制系统牢牢地把推力矢量钉在质心上。这个“钉”是时时刻刻在负反馈调节的,一方面随着燃料的消耗,质心其实一直在改变;另一方面,还要时刻抵消风的影响(这边说的不是火箭拐弯的时候,程序转弯的时候推力矢量显然是离开质心的)。
由于火箭的重量分布并不完全对称,尤其是航天飞机等明显不对称的航天器,因此,推力也就与竖直方向有一个夹角。有推力往一边偏的结果是,速度有个水平分量(为了平衡用配重也是可以的,但为了配重而用的配重会浪费宝贵的重量)。为了帮助理解我画了个图:虚线是垂直于地面的方向,实线是推力矢量,中间那个黑点是质心。右边那块是外置的管路什么的。图画得很夸张啦,现实斜得没那么可啪(答主知错了,有空再去画个好看的图T_T)。
也就是说,火箭在水平方向上是有漂移的。这个水平漂移对于上升来说只要不严重,就可以控制得住,没什么关系(对于降落就比较麻烦了)。
对于这样对称的、没有长出什么不对称的东西(助推器、航天飞机、外挂武器什么的)的火箭来说,虽然也不是完全对称(比如管路,输油管什么的),但这点发动机喷口的控制还是比较好做到的
对于长出什么不对称东西的家伙来说,比如美帝的航天飞机,苏修的航天飞机以及太空武器,还有美帝一些不对称的火箭(奇数个助推器、两种不同助推器什么的),那就需要控制发动机矢量了,把推力矢量拉到质心上。美帝的发动机科技比较逆天一点,SSME发动机的矢量做得属于神屌级别的。不只是航天飞机,不对称的火箭(单个助推器什么的)也就美帝最多——
图:Atlas v411火箭,单助推器。所谓矢量玩得尖,板砖能上天
火箭之所以可以不倒,用日常生活中的一个事例说明一下吧。你用手端着一杯盛有水的杯子,往前走,你一边走一边看着路,在此期间,水杯基本保持水平,即使中途被人稍微推一下,或者中途需要上台阶,仍然可以通过调整保持平衡,这与火箭之所以不倒的本质原因是相同的。
火箭需要进行姿态控制,也就是需要在其内部植入控制算法,这相当于人的大脑,火箭上安装的传感器相当于人的眼睛。人拿着杯子往前走,当你的手轻微的往右倾斜一点,这时杯中的水也往右倾斜,与此同时,你的眼睛观察到这一现象,立刻反馈给大脑,大脑就会告诉手,往左边倾斜,这样就可以使水保持水平;但如果,由于力度控制不当,手往左倾斜的幅度过大,水又向左倾斜,这时,重复上述过程,水最终可以保持平衡。人在端着水杯往前走的过程,就是不断重复上述过程,从而完成水杯的水平移动,火箭也是同样道理。
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