相信不少读者对于火箭发射的壮观场景都比较熟悉了,但又有多少人知道,火箭发射或者升空阶段是如何确保不会发生左右倾斜的呢?
火箭能保持垂直起飞而不倒,主要秘密就在于它的发动机和陀螺仪,这两个装置由计算机(这台计算机也称姿态控制器)来协同工作,保持火箭垂直飞行。
联盟运载火箭发射升空
火箭升空后遇到任何水平方向的气流和阻力时,都会产生极其微小的倾角,在高速推进过程中会产生角速度。如果任其发展,火箭会迅速倒向一边,就像充满气的气球被松开后一样,到处乱窜,分分钟就翻车。而发动机的喷口可以向不同的方位旋转,并且几个喷口可以在不同位置上产生不同的推进力,使得推力的方向竖直地锁定在火箭的质心上(质心就是物理学中假想的一个点,质量可以全部都集中在这个点上)。所以当火箭发生倾斜时,计算机就会不断调整发动机的喷口,让火箭保持垂直发射。
那么,接下来又会产生一个问题,计算机是怎么知道火箭垂直飞行过程中出现了微小倾斜的趋势呢?秘密就在于它的陀螺仪。
陀螺仪
我们在孩童时都玩过陀螺,陀螺可以在高速旋转的情况下与水平的地面保持垂直,并且流畅运动。航天工程师利用陀螺这种对称物体自旋稳定的特性,解决了火箭升空时姿态控制的难题。在火箭控制仓内安装一个电动陀螺仪,当火箭倾倒时陀螺仪自转轴的方向始终保持不变,而陀螺仪底部的基座则会产生一定的转角,通过传感器将这个变化的转角转变成大小不同的电势差,从而通过计算机控制发动机来保持火箭的稳定飞行。
说起来简单,但其实火箭姿态控制系统是非常复杂的,有时还需要人工干预火箭的飞行姿态。
当然,火箭姿态控制系统中并不是只有陀螺仪。火箭在飞行过程中,会因为燃料的消耗不断降低自身质量,发动机因此也要不断调整,进而使火箭在水平方向出现轻微的漂移。为了提高精度,火箭姿态控制系统中还安装了北斗导航仪、星敏感器和加速度计,以此来修正和锁定火箭飞行轨迹。