長(zhǎng)征5號(hào)火箭尾翼固定不動(dòng)，它靠什么實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎？

中國(guó)古代的智者說(shuō)“失之毫厘謬以千里”，盡管《周易》中這句話(huà)講的是一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題，其原因當(dāng)然不是談航天技術(shù)，然而今天我們用這句話(huà)來(lái)形容火箭發(fā)射卻是再恰當(dāng)不過(guò)了。

對(duì)于運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，他們努力打造的火箭比擎天柱還粗，但這些幾百上千噸的“大老粗”要干的活兒卻是比繡花針還細(xì)的。在火箭發(fā)射過(guò)程中哪怕是出一點(diǎn)點(diǎn)紕漏，軌跡發(fā)生毫厘的偏差，最后的結(jié)果就是價(jià)值數(shù)億的衛(wèi)星不能進(jìn)入正確軌道而報(bào)廢，而時(shí)間的損失更是無(wú)法以金錢(qián)來(lái)衡量。

長(zhǎng)征5號(hào)

程序轉(zhuǎn)彎

為了將衛(wèi)星準(zhǔn)確送到地球同步靜止軌道，同時(shí)也向地球自轉(zhuǎn)“借一點(diǎn)兒力”，地面控制中心的指揮員在長(zhǎng)征5號(hào)火箭在起飛后不久就發(fā)出了“程序轉(zhuǎn)彎”的指令，這個(gè)自重達(dá)869噸的大塊頭開(kāi)始一點(diǎn)點(diǎn)地向東南方向傾斜，飛向太平洋的上空。

事實(shí)上，長(zhǎng)征5號(hào)飛行的軌跡早在發(fā)射之前就已經(jīng)寫(xiě)入了箭載計(jì)算機(jī)的控制程序。火箭什么時(shí)間開(kāi)始轉(zhuǎn)彎、以多大的角度轉(zhuǎn)彎、維持什么樣的飛行軌跡等一系列的飛行參數(shù)是一早就精確計(jì)算并確定的，箭載計(jì)算機(jī)會(huì)將這些參數(shù)與箭上的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)并自動(dòng)調(diào)整飛行姿態(tài)，飛行控制中心只需要監(jiān)測(cè)箭上計(jì)算機(jī)反饋的傳感器數(shù)據(jù)并與各地面測(cè)控站進(jìn)行匹配，一般不需要手動(dòng)調(diào)整，也來(lái)不及手動(dòng)控制。

程序轉(zhuǎn)彎

正因?yàn)槿绱耍\(yùn)載火箭在發(fā)射初期的軌道偏轉(zhuǎn)被稱(chēng)為“程序轉(zhuǎn)彎”。

長(zhǎng)征5號(hào)的尾翼

與長(zhǎng)征6號(hào)不同，長(zhǎng)征5號(hào)火箭擁有4片巨大的尾翼，這4片安裝在火箭助推器下端的尾翼每一片都有4米多高，當(dāng)然跟20多層樓高的長(zhǎng)征5號(hào)比起來(lái)就顯得不那么扎眼。

長(zhǎng)征6號(hào)與長(zhǎng)征5號(hào)對(duì)比

我們知道飛機(jī)是通過(guò)調(diào)整它翅膀上的襟翼以及垂直尾翼角度來(lái)實(shí)現(xiàn)起降和轉(zhuǎn)彎，長(zhǎng)征5號(hào)火箭也是通過(guò)調(diào)整尾翼來(lái)轉(zhuǎn)彎的嗎？其實(shí)并不是這樣，與其他國(guó)家大火箭一樣，長(zhǎng)征5號(hào)的尾翼是固定不動(dòng)的，它安裝在火箭上只起到一個(gè)穩(wěn)定飛行的作用。比如說(shuō)世界上已經(jīng)服役過(guò)的最大火箭土星V號(hào)，它也安裝了幾個(gè)巨大的尾翼，而與土星V差不多大小的前蘇聯(lián)N1-L3火箭安裝的則是格柵式尾翼。

土星V與N1-L3火箭

并不是所有的運(yùn)載火箭都會(huì)安裝尾翼，世界上現(xiàn)役的許多大火箭都沒(méi)有安裝尾翼，比如說(shuō)獵鷹火箭、Atlas V、俄羅斯的質(zhì)子和歐洲的阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭等等。

現(xiàn)役大型運(yùn)載火箭

火箭怎么轉(zhuǎn)彎？

火箭轉(zhuǎn)彎不靠尾翼，尾翼通常是在大氣層內(nèi)對(duì)火箭飛行起穩(wěn)定的作用，一旦飛出大氣層它就變得一無(wú)是處。當(dāng)然啦，運(yùn)載火箭在飛出大氣層之前就會(huì)拋棄它的助推器和芯一級(jí)，尾翼自然也連帶著被拋棄掉了。

大多數(shù)的運(yùn)載火箭都是靠發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的。

火箭在飛行的過(guò)程中一方面需要按照既定程序調(diào)整飛行軌跡，同時(shí)大氣層內(nèi)多變的氣流也會(huì)對(duì)飛行姿態(tài)造成干擾，如果不能及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，火箭就會(huì)被吹偏，這將導(dǎo)致偏離預(yù)定軌道。

當(dāng)運(yùn)載火箭偏離軌道時(shí)，箭上的陀螺儀會(huì)首先檢測(cè)到火箭姿態(tài)變化。火箭的傾角第一時(shí)間傳送到箭載計(jì)算機(jī)與預(yù)定參數(shù)比對(duì)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)將相關(guān)指令發(fā)送到伺服機(jī)構(gòu)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)或調(diào)整主發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的角度進(jìn)行糾偏。

火箭靠調(diào)整主發(fā)動(dòng)機(jī)角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎

一部分航天器專(zhuān)門(mén)設(shè)置了轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)。

著名的美國(guó)航天飛機(jī)在它的許多部位都安裝有多臺(tái)“游標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)”，通過(guò)這些發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的氣流，航天飛機(jī)可以在太空中進(jìn)行精確復(fù)雜的姿態(tài)調(diào)整。

航天飛機(jī)前端的調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)噴口

同樣地，美國(guó)的阿波羅登月艙和中國(guó)嫦娥系列月球著陸器上也裝配了多臺(tái)姿態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)向各個(gè)方向噴射氣體來(lái)調(diào)整角度，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)甚至可以進(jìn)行微牛級(jí)的調(diào)整，它噴出的氣流比你的呼吸還要輕柔許多。

嫦娥月球著陸器側(cè)面的調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)

美國(guó)的阿特拉斯火箭在它的箭體側(cè)下方安裝了三臺(tái)游標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)以提供側(cè)向推力，在主發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)不夠先進(jìn)、不能滿(mǎn)足要求的情況下，這種游標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供更加精確的偏轉(zhuǎn)角度控制。

游標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)

俄羅斯的聯(lián)盟火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)是固定不動(dòng)的，設(shè)計(jì)者將多臺(tái)小的調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)與主發(fā)動(dòng)機(jī)裝在一起，它的一級(jí)火箭和四枚助推器上一共安裝了12臺(tái)調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)偏轉(zhuǎn)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射角度，也可以實(shí)現(xiàn)火箭轉(zhuǎn)彎。

聯(lián)盟火箭調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)

長(zhǎng)征5號(hào)的與其它主流大火箭一樣，都是依靠隨機(jī)調(diào)整主推力發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口角度來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種技術(shù)被稱(chēng)為萬(wàn)向節(jié)推力系統(tǒng)。有人也稱(chēng)其為矢量推力系統(tǒng)，實(shí)際上這并不準(zhǔn)確，因?yàn)榛鸺靼l(fā)動(dòng)機(jī)并不能隨意調(diào)整噴口的射流速度，也無(wú)法線(xiàn)性改變其推力大小。

萬(wàn)向節(jié)推力系統(tǒng)

與俄羅斯聯(lián)盟火箭不同，長(zhǎng)征5號(hào)火箭的推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)是安裝在一個(gè)被稱(chēng)為“萬(wàn)向架”的活動(dòng)裝置上，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)可以在一定角度范圍內(nèi)任意偏轉(zhuǎn)，從而可以向不同方向噴射氣流。

長(zhǎng)征5號(hào)火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)

下面是一張火箭偏轉(zhuǎn)方向與發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏轉(zhuǎn)方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖，從圖中我們可以看出，當(dāng)火箭處于垂直上升狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴垂直向下噴射氣流；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)向左側(cè)噴射氣流時(shí)，其推力作用于火箭重心產(chǎn)生扭矩，火箭運(yùn)動(dòng)方向也指向左邊；與之相反，火箭將向右側(cè)飛行。

推進(jìn)角與火箭姿態(tài)的關(guān)系

2013年，由于火箭裝配過(guò)程中一個(gè)監(jiān)測(cè)火箭姿態(tài)的陀螺儀被裝反，俄羅斯質(zhì)子-M火箭在發(fā)射時(shí)失控并墜毀在發(fā)射場(chǎng)附近。當(dāng)火箭離開(kāi)發(fā)射臺(tái)開(kāi)始上升的過(guò)程中陀螺儀發(fā)出了錯(cuò)誤的信號(hào)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)被迫在箭載計(jì)算機(jī)的指令下不斷調(diào)整噴射角度，于是我們可以清晰地看到主發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的火焰與火箭運(yùn)動(dòng)姿態(tài)之間的力學(xué)關(guān)系。

質(zhì)子-M發(fā)射過(guò)程中的糾偏

總結(jié)：

長(zhǎng)征5號(hào)上安裝的尾翼僅起到穩(wěn)定火箭飛行的作用，它不能進(jìn)行偏轉(zhuǎn)調(diào)整，火箭的偏轉(zhuǎn)完全通過(guò)萬(wàn)向節(jié)推力發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

長(zhǎng)征火箭上面的計(jì)算機(jī)在發(fā)射之前就已經(jīng)被輸入了飛行過(guò)程中的所有軌道參數(shù)。起飛后，計(jì)算機(jī)會(huì)不斷將箭上傳感器采集的數(shù)據(jù)、地面遙測(cè)指令等與這些參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)操縱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)。

火箭萬(wàn)向節(jié)的液壓角度調(diào)整考驗(yàn)的是繡花針功夫，在極高的飛行速度下，發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴每偏轉(zhuǎn)一個(gè)極小的角度，體現(xiàn)到火箭上往往是幾十公里的軌道偏差，也決定了火箭最終能否準(zhǔn)確入軌。長(zhǎng)征5號(hào)通過(guò)將實(shí)踐20號(hào)衛(wèi)星成功推送并定點(diǎn)于地球同步靜止軌道上，證明了大推力火箭技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界一流水平，這是一個(gè)好開(kāi)端，我們理應(yīng)為之驕傲、為之自豪。

長(zhǎng)征5號(hào)遙3成功發(fā)射

長(zhǎng)五成功，長(zhǎng)九可期，我們的目標(biāo)是星辰大海！