長征5號火箭尾翼固定不動，它靠什么實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎？

中國古代的智者說“失之毫厘謬以千里”，盡管《周易》中這句話講的是一個哲學(xué)問題，其原因當然不是談航天技術(shù)，然而今天我們用這句話來形容火箭發(fā)射卻是再恰當不過了。

對于運載火箭的設(shè)計師來說，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的。在火箭發(fā)射過程中哪怕是出一點點紕漏，軌跡發(fā)生毫厘的偏差，最后的結(jié)果就是價值數(shù)億的衛(wèi)星不能進入正確軌道而報廢，而時間的損失更是無法以金錢來衡量。

長征5號

程序轉(zhuǎn)彎

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

事實上，長征5號飛行的軌跡早在發(fā)射之前就已經(jīng)寫入了箭載計算機的控制程序。火箭什么時間開始轉(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)是一早就精確計算并確定的，箭載計算機會將這些參數(shù)與箭上的傳感器進行實時比對并自動調(diào)整飛行姿態(tài)，飛行控制中心只需要監(jiān)測箭上計算機反饋的傳感器數(shù)據(jù)并與各地面測控站進行匹配，一般不需要手動調(diào)整，也來不及手動控制。

程序轉(zhuǎn)彎

正因為如此，運載火箭在發(fā)射初期的軌道偏轉(zhuǎn)被稱為“程序轉(zhuǎn)彎”。

長征5號的尾翼

與長征6號不同，長征5號火箭擁有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，當然跟20多層樓高的長征5號比起來就顯得不那么扎眼。

長征6號與長征5號對比

我們知道飛機是通過調(diào)整它翅膀上的襟翼以及垂直尾翼角度來實現(xiàn)起降和轉(zhuǎn)彎，長征5號火箭也是通過調(diào)整尾翼來轉(zhuǎn)彎的嗎？其實并不是這樣，與其他國家大火箭一樣，長征5號的尾翼是固定不動的，它安裝在火箭上只起到一個穩(wěn)定飛行的作用。比如說世界上已經(jīng)服役過的最大火箭土星V號，它也安裝了幾個巨大的尾翼，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

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

現(xiàn)役大型運載火箭

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)對火箭飛行起穩(wěn)定的作用，一旦飛出大氣層它就變得一無是處。當然啦，運載火箭在飛出大氣層之前就會拋棄它的助推器和芯一級，尾翼自然也連帶著被拋棄掉了。

大多數(shù)的運載火箭都是靠發(fā)動機實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的。

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

當運載火箭偏離軌道時，箭上的陀螺儀會首先檢測到火箭姿態(tài)變化。火箭的傾角第一時間傳送到箭載計算機與預(yù)定參數(shù)比對，計算機實時將相關(guān)指令發(fā)送到伺服機構(gòu)、啟動轉(zhuǎn)向發(fā)動機或調(diào)整主發(fā)動機噴口的角度進行糾偏。

火箭靠調(diào)整主發(fā)動機角度實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎

一部分航天器專門設(shè)置了轉(zhuǎn)向發(fā)動機。

著名的美國航天飛機在它的許多部位都安裝有多臺“游標發(fā)動機”，通過這些發(fā)動機噴出的氣流，航天飛機可以在太空中進行精確復(fù)雜的姿態(tài)調(diào)整。

航天飛機前端的調(diào)姿發(fā)動機噴口

同樣地，美國的阿波羅登月艙和中國嫦娥系列月球著陸器上也裝配了多臺姿態(tài)調(diào)整發(fā)動機，這些發(fā)動機通過向各個方向噴射氣體來調(diào)整角度，哈勃太空望遠鏡上的調(diào)姿發(fā)動機甚至可以進行微牛級的調(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)動機

美國的阿特拉斯火箭在它的箭體側(cè)下方安裝了三臺游標發(fā)動機以提供側(cè)向推力，在主發(fā)動機姿態(tài)控制系統(tǒng)不夠先進、不能滿足要求的情況下，這種游標發(fā)動機可以提供更加精確的偏轉(zhuǎn)角度控制。

游標發(fā)動機

俄羅斯的聯(lián)盟火箭的主發(fā)動機是固定不動的，設(shè)計者將多臺小的調(diào)姿發(fā)動機與主發(fā)動機裝在一起，它的一級火箭和四枚助推器上一共安裝了12臺調(diào)姿發(fā)動機。通過偏轉(zhuǎn)調(diào)整發(fā)動機的噴射角度，也可以實現(xiàn)火箭轉(zhuǎn)彎。

聯(lián)盟火箭調(diào)姿發(fā)動機

長征5號的與其它主流大火箭一樣，都是依靠隨機調(diào)整主推力發(fā)動機的噴口角度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種技術(shù)被稱為萬向節(jié)推力系統(tǒng)。有人也稱其為矢量推力系統(tǒng)，實際上這并不準確，因為火箭主發(fā)動機并不能隨意調(diào)整噴口的射流速度，也無法線性改變其推力大小。

萬向節(jié)推力系統(tǒng)

與俄羅斯聯(lián)盟火箭不同，長征5號火箭的推進發(fā)動機是安裝在一個被稱為“萬向架”的活動裝置上，這樣發(fā)動機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。

長征5號火箭主發(fā)動機

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

推進角與火箭姿態(tài)的關(guān)系

2013年，由于火箭裝配過程中一個監(jiān)測火箭姿態(tài)的陀螺儀被裝反，俄羅斯質(zhì)子-M火箭在發(fā)射時失控并墜毀在發(fā)射場附近。當火箭離開發(fā)射臺開始上升的過程中陀螺儀發(fā)出了錯誤的信號，火箭發(fā)動機被迫在箭載計算機的指令下不斷調(diào)整噴射角度，于是我們可以清晰地看到主發(fā)動機噴射出的火焰與火箭運動姿態(tài)之間的力學(xué)關(guān)系。

質(zhì)子-M發(fā)射過程中的糾偏

總結(jié)：

長征5號上安裝的尾翼僅起到穩(wěn)定火箭飛行的作用，它不能進行偏轉(zhuǎn)調(diào)整，火箭的偏轉(zhuǎn)完全通過萬向節(jié)推力發(fā)動機來實現(xiàn)。

長征火箭上面的計算機在發(fā)射之前就已經(jīng)被輸入了飛行過程中的所有軌道參數(shù)。起飛后，計算機會不斷將箭上傳感器采集的數(shù)據(jù)、地面遙測指令等與這些參數(shù)進行比對，實時操縱火箭發(fā)動機進行角度偏轉(zhuǎn)。

火箭萬向節(jié)的液壓角度調(diào)整考驗的是繡花針功夫，在極高的飛行速度下，發(fā)動機噴嘴每偏轉(zhuǎn)一個極小的角度，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確入軌。長征5號通過將實踐20號衛(wèi)星成功推送并定點于地球同步靜止軌道上，證明了大推力火箭技術(shù)已經(jīng)達到了世界一流水平，這是一個好開端，我們理應(yīng)為之驕傲、為之自豪。

長征5號遙3成功發(fā)射

長五成功，長九可期，我們的目標是星辰大海！