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为什么火箭可以竖直发射而不会歪掉?

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。

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这是因为火箭有平衡控制系统,在火箭的顶部位置有陀螺仪,伴随着监控管理系统,如果火箭在上升过程中变化,陀螺仪会最先感知,然后监控管理系统会让发动机作出反应,所以整个火箭都会时刻控制自身的平衡,因此很少会看到火箭发射过程中会变歪,前几年俄罗斯有一个火箭发射变歪,就是因为已有两个陀螺仪装反了。所以一般只要控制系统不出问题,火箭都会正常发射。

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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!

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其实火箭发射的时候轨迹往往不是竖直的。这种什么都没挂的还算挺直,那些不对称的比如航天飞机更是。理由是:

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
苏修暴风雪号航天飞机的菊花。

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我是学自动控制的。简单说,陀螺仪检测火箭姿态,自控系统来计算,控制下面几个发动机的推力。说白了,往左倒了左边发动机多使点劲,往右倒了右边发动机多使点劲。不过这东西说的简单,做起来很难。

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其实我觉得这个问题很好理解——因为火箭太长了!现实中我们每个人都可以做到顶杆。杆越长,平衡越好控制。不信你们试试!我小时候就经常这么玩,可以一边顶铁锹一边跑!而铁锹不倒!!千真万确,屹立不倒!我们一帮男孩比谁坚持时间长!如此看来,火箭底部只要有个力,像手托着一样,实时前后左右调整,就可以保证箭头始终向天狂笑了!

这个解释满意吗?如果满意请点个赞哦!

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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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你所说的垂直发射是正确的,后边的不会歪掉是错误的,正确的是垂直发射也会歪,只是在一定的高度才会歪,比如在酒泉发射的火箭不是一直在酒泉上空往太空飞,而是到达一定高度时,由于火箭此时的速度还没有达第一宇宙速度,在一定高度时由于地球的引力它也会倾斜,不过这个倾斜的方向是可以控制的,所以在酒泉发射的火箭会经过好几个省市的上空,随着火箭的加速,达到第一宇宙速度时,火箭会飞出大气层到达外太空,而此前是沿着地球的圆弧在飞,假如你认为火箭垂直发射后会一直在头顶的上空垂直起飞一直飞出大气层那是错误的。

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这个问题比较专业,不是你我门外汉所能搞清楚的。玩过二踢脚么,这个和火箭应该差不多,起码的平衡要掌握,而这个几百吨的庞然大物要平衡是要经过一系列的精密计算,一颗螺丝钉都可能导致发射的失败。一旦固定在发射架,我想所有参与发射的都会把心提到嗓子眼,歪掉就意味着失败,那些参与发射的专家比我们要操心多了吧。

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火箭仪器仓内一般有陀螺仪和加速度计,陀螺仪用于敏感火箭的俯仰、偏航、滚动,加速度计用于敏感速度及位移。若火箭歪掉后,箭载计算机会从陀螺仪和加速度计的数据中敏感到,会向伺服机构发出纠正偏差指令,尾部喷管或燃气舵会做响应偏转,纠正偏差。

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