为什么火箭可以竖直发射而不会歪掉?

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摘要

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

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。

看似简单的垂直发射问题在现在的航天工程也是一大重要环节,如果火箭的发动机只提供动力能源,那么火箭是100%会翻车的,因为火箭肯定会遇到水平方向的气流,只需要一个轻微的风力就会使火箭在竖直方向产生倾角,发动机的推力就会在水平方向产生分力,火箭就会立刻倾倒爆炸,在航空史上也是曾有这样的事发生。

火箭能够垂直发射主要有两方面原因,第一是陀螺仪,陀螺在高速转动的时候由于其自身对称自旋稳定的特点,被用来装置在火箭顶部调控火箭升空阶段的姿态问题,通常连接传感器的陀螺仪会安置在姿态控制仓,在陀螺仪底部是一个水平的基座,火箭升空阶段如果歪了,那么基座和陀螺仪之间会产生一个倾斜角度,传感器会将各种倾斜的角度转化成不同相位的电位差,然后通过电脑来改变火箭在不同方向的推力来实现垂直发射,陀螺仪在这里相当于是感知火箭是否垂直的一个工具,而真正能够调控的装置是矢量发动机。

矢量代表着有大小和方向,矢量发动机和传统发动机主要的区别就在于,发动机底部的几个喷口可以旋转调节方向,并且几个喷口的推力可以单独调节,在不同方向上产生不同的推力。如果火箭升空出现了倾斜,那么姿态控制系统中的陀螺仪就会立刻发出指令给矢量发动机,如果火箭轻微向左倾斜,矢量发动机的喷口就会在左边产生更大的推力,持续将火箭扶直,这种敏感的调控几乎是在瞬间完成的,在火箭的整个升空阶段不断调整,所以真实的火箭升空并不是垂直向上的,而是在水平方向有漂移。当然,火箭姿态控制系统中除了陀螺仪还有卫星定位系统,加速度计等装置协同控制,实际情况更复杂。

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。

火箭在发射前不会歪掉,这是因为它被竖直固定在发射台上了;火箭发射后也不会歪掉,那是因为火箭是受控的飞行器,会自动调整飞行姿态。

欢迎关注兵器知识谱,今天我们来科普关于火箭发射的知识。

火箭的本质是一种无人操控的飞行器,或者说是一种无人操控的航天器,它的关键技术就在于——操控。

人类第一款具有操控功能的运载火箭是二战德国发明的V-2弹道导弹,它是通过内部安装的一台陀螺仪实现飞行姿态控制的。

在发射前,只需要向陀螺仪输入目标所在位置的坐标,陀螺仪就会自动控制导弹飞行,直至命中目标。

下图为美国上世纪用来发射载人登月航天器的土星五号运载火箭惯性导航系统核心组件——陀螺仪,火箭如何飞、飞向哪里完全由它来控制。

陀螺仪自动控制技术一直沿用至今,所有的弹道导弹、运载火箭、战斗机、轰炸机、客机、无人机都需要安装陀螺仪,没有这个装置就无法实现自动控制飞行和导航。

我们重点来讲一讲关于运载火箭的陀螺仪自动控制原理,读完这篇文章你就能明白火箭发射后为什么不会歪了。

不论是弹道导弹还是火箭,它们都属于运载火箭,比如说我国的长征系列运载火箭,它们的技术底子就是从“东风”系列弹道导弹上改进而来的。

弹道导弹的要求是能够精确命中目标,火箭的要求是能够精准的将航天器投送到轨道上,所以它们必须能像有人操控的飞机一样完成整个飞行过程,准确到达目的地。

所以在火箭发射前,人们需要根据投送目的地为火箭制定飞行路径,然后根据路径来设计飞行姿态控制程序,再将这些程序输入火箭控制系统。

下图为大型运载火箭的单室多推火箭发动机喷口,当火箭需要左转弯时,左边两个喷口的功率就会降低,而右边两个喷口功率不变,以此左转弯。

比如说发射升空阶段需要笔直飞行14公里,到达17公里后向西转弯22度,30公里后抛助推器,50公里后一二级分离,100公里后抛整流罩,140公里后二级火箭调整飞行姿态,200公里后星箭分离,卫星微调入轨。

整个过程完全由陀螺仪来进行感知,程序控制系统来下达指令,火箭飞行系统来实现飞行姿态的调整。

例如“向西转弯22度”,转弯指令是程序控制系统下达的,当高度到达17公里时陀螺仪开始偏转22度,火箭发动机则通过调整喷口功率来实现火箭这个飞行姿态的转变。

假如在飞行过程中,陀螺仪没有偏转,而火箭飞行姿态却歪了,那么火箭喷口也会通过功率调整来纠正飞歪的火箭回到正确的飞行姿态上。

这就是竖着的火箭发射升空后不会歪掉的原因,这项技术称之为“垂直发射”。

下图为防空导弹的火箭发动机喷口特写,由于采用单室单喷固体燃料,它不能通过调整喷口功率来实现转弯,因此需要在喷口上设置四个气舵,通过改变气舵偏转角度来实现火焰喷射方向,进而实现导弹机动。

垂直发射技术除了应用在运载火箭和弹道导弹上以外,现代舰载/陆基防空导弹、反舰导弹、反坦克导弹甚至是远程火箭弹都已采用。

它们能够实现姿态自动控制的核心因素就是陀螺仪,陀螺仪技术也被广泛应用在民用领域,其中最常见的就是手机。

大家可以思考这样一个问题:为什么我们在使用手机全屏观看影视剧时,无论我们如何翻转手机,视频总是自动调整正影面对我们,而不是随着手机翻转呈倒影呢?

答案就是手机内集成了一块陀螺仪芯片,当我们选定了手机的“自动旋转”功能后,陀螺仪芯片就会被激活,从而根据手机姿态自动控制影像始终呈正影。

就该原理而言,它与火箭不会飞歪的道理是一样的,区别全在与用来控制火箭的陀螺仪更贵更复杂罢了。

下图为爱疯手机主板上的陀螺仪芯片,如果没有这个东西,手机就不会自动翻转,也不具备导航功能。

火箭会歪的,而且到达一定的高度必须得斜向飞行把载荷送入轨道,但是火箭可以通过调整发动机喷口方向来调整姿态。火箭依靠自身的陀螺仪监视自身的姿态,当火箭计算机发现当前姿态与程序设定值不一致时就会向发动机喷口矢量调整装置发出调整命令,最终让火箭姿态按照程序设定不断调整,这个调整过程和恒压供水中的恒压控制、加热箱恒温控制、拉伸机恒扭矩输出控制基本原理是一样的。如果陀螺仪故障或者姿态偏斜或许严重超过调整极限,那就要出事故了,曾经我国有枚火箭陀螺仪故障导致火箭错误判断姿态,在发射初期地面附近就进行平飞,结果损失惨重。

地面上的人可以调整发动机的角度

原因有两点。

第一、火箭上有一个可以监测和控制平衡的系统,当火箭开始倾斜时,系统会马上发现,并给火箭发动机控制系统下达指令使其调整火箭姿态,从而不让火箭发生倾斜。

第二、火箭发动机的喷口可以向不同方向偏转一定角度,以产生不同方向的推力。从而当火箭发生倾斜时,火箭发动机可以调整其姿态。

火箭发射升空之后,由于受到空气阻力、气流干扰、地球的重力等因素的影响,飞行轨道会在空中发生歪掉情况,偏离预订轨道较远,精度不够。为了保持发射后,在空中飞行轨道不会歪掉,科学家在火箭的尾部加装了尾翼,来控制方向,虽然尾翼简单、经济、实用,但是由于尾翼的风阻较大,影响飞行速度和距离。后来科学家发明了陀螺仪,把陀螺仪安装在火箭的头部,高速旋转,来感知火箭的飞行的轨道,是否发生偏离,如果感知到火箭飞行偏离预订的轨道,就向地面控制中心发回感知的数据,地面控制中心根据发回的具体数据,向火箭发送调整飞行角度的指令,靠火箭尾部的矢量推进器,调整到预订的飞行轨道上来。就这样周而复始地不断修正飞行数据,最终到达预订地点。

这个跟火箭的内部构造和尾部可以调整火焰姿态有关。

你肯定玩过一个东西,那就是我们这边说法叫“冲天炮”的一个烟花爆竹。

当你点燃尾部的导火线的时候,冲天炮就会嗖地一下向上飞行,有时候会飞歪,所以你说的问题的确存在。

那么如何解决这个问题呢?

首先我们要明白为什么会造成发射过程中,火箭会歪掉的原因:即,火箭头部太重,尾部太轻,这样加速即便是在后面,但头部过重的问题,会导致火箭方向极其不好调整;

解决方案:将火箭的重心往后移动,甚至最好是在偏尾部的位置,这样,整个火箭就是头轻脚重,如果尾部加速,那么即便头部歪了,也很容易通过尾部调整喷火姿态将火箭的动作修整回来。

如果在此基础上我们给火箭安装一些传感仪器,那么我们就可以时时监控到火箭的方向是否有所偏离,如果有所偏离,我们就可以通过内部程序或者远程控制来调整尾部喷火姿态,最终达到火箭正常向上升而不歪曲的目的。

最后,左边那个东西,应该是拍摄角度造成的,肯定可以说明的是一定不是一个人,否则就上新闻了,看样子有点像青蛙。

以上回复,希望能解答你的疑惑。

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