[科普中国]-运载火箭凭什么能航向坚定不“跑偏”？

2020年4月24日是第五个“中国航天日”，今年航天日的主题是“弘扬航天精神，拥抱星辰大海”。短短一句话，彰显了中国航天人不忘初心的坚持和进军深空的热望。

在地球上，向星辰大海前进的第一步便是火箭发射，如果不能挣脱地心引力的束缚，一切都将无从谈起。

以目前我国比较先进的重型运载火箭——长征五号B为例，它的全长达到53.7米，起飞质量可达849吨。想要将这样的庞然大物送上太空，自然少不了推力强大的火箭发动机。

那么，不知道大家有没有想过，火箭发动机的推力那么猛，火箭在飞行中如何保证自己处于正确的姿态而不发生“跑偏”？如果姿态发生异常时火箭又是如何进行调整的呢？这篇文章就带大家了解一下火箭姿态控制和调整系统是如何“驯服”火箭的。

火箭内心独白：我在哪，我在做什么？

对于火箭的姿态控制而言，最首要的任务在于先明白自己的姿态处于怎样的情况。试想手握方向盘的你想要通过车水马龙的街道时，是否想起了科目考试那句话：先观察路口情况？

对于火箭同样如此。而火箭“观察”自己角度（朝向）和速度的途径，是陀螺仪和加速度计。陀螺仪的结构及运作的大致原理如下面的动图所示。

图1：航空陀螺仪的原理 图源：公有领域gif

图2：偏轴陀螺仪 图源：公有领域 gif

陀螺仪的原理比较复杂，不过我们可以将、 它类比成我们平常玩的陀螺，只是这个陀螺的转速相当高。我们在玩陀螺的时候都能看到，陀螺转的越快，它越容易维持转动姿态。

而火箭用到的就是一种高速旋转的陀螺仪。陀螺仪有一个性质，它在高速旋转的时候其转动所围绕的轴不会发生变化。根据这一特性，我们就可以得到火箭飞行过程中的角度，也即朝向。

下图中展示的是航空领域早期的陀螺仪，它就是通过上述性质来测量当前航向角度的。一般的火箭会安装三个速率陀螺，由于载人火箭具有高可靠性要求，可能会配备更多的陀螺仪。如长征2F载人火箭安装了六个速率陀螺，分别测量火箭的俯仰角速度、偏航角速度和滚动角速度。

图3 ：早期的陀螺仪，图片来源：wikipedia

除传统的机械陀螺仪以外，还有激光陀螺仪、光纤陀螺仪、量子陀螺仪和微机电MEMS陀螺仪等。激光陀螺仪和光纤陀螺仪是目前在航空航天领域应用更多的陀螺仪，它的精度更高、反应更快、可靠性也更强。此外，量子陀螺仪也有极高的精度，但结构也更复杂。

生活中较为常见的是微机电MEMS陀螺仪，一般更广泛地应用于消费类电子产品中，如手机、VR设备、移动游戏机及相机等。

不过，知道朝向还不够，还要时刻检查“油门”，也就是火箭的加速度。经典加速度计的原理如图所示，其中蓝色的壳体安装在火箭上，感受轴线与想要测得的火箭加速度方向平行。在火箭有加速度时，两个弹簧的力将有所区别。此时中间的滑块会有位置上的变化。位置变化带动上方的接触点变化，从而影响电压输出。加速度大，输出电压的部分所分得的电压就越小，就可以根据输出的值计算火箭此时的加速度。

图4： 加速度计结构示意图，作者自制

当然，这只是一个加速度计原理的简单示例，现在还有很多其他原理的加速度计，如电容式（通过测量电容的变化来检测加速度的变化）、电感式、应变式、压阻式（通过使用压敏元件将受到的力的微小变化转变为电信号）和压电式等等。这些都是各种运载工具了解自己速度的途径和方法。

假如火箭“跑偏”，谁来下令纠正？

假设火箭现在“看”到自己飞行的方向和速度存在种种问题，及时调整就是必须的了。不过，具体做什么样的调整还需要一个“大脑”来统合处理“看到”的各种问题。

调整火箭姿态涉及到自动控制的一些理论，具体情况当然非常复杂，我们只能粗略的介绍一些其中的要点。火箭首先通过陀螺仪得到姿态信息，在经过一系列处理将姿态信息转化成可用的信号。这个处理过程包括对测量信息的运算、转换和放大等。之后，控制系统将这些经过转化后的信息编制成可用于操作火箭的命令，进而实现对火箭的操控。

简单理解，通过陀螺仪和加速度计，可以知道火箭在天上的角度和速度，角度有没有跑偏？是快了还是慢了？当得到相关信息后，将这些值与预先设计好的值进行对比（还是类比开车，我们要尽量让车保持在道路的中央）。对比发现一切正常，就可以继续飞行过程；对比一旦发现角度与设定值偏差太大（好比汽车要撞到栅栏了），或者速度过高或过低了（低于最低限速或高于最高限速了），那就需要进行一些调整。

此时箭载计算机将会经过运算给出指令，通过特定的机构来实现调整。那么这些特定的机构，又是一些怎样对火箭姿态进行调整的呢？

如何把“跑偏”的火箭拉回正确的方向？

现在我们假设火箭已经知道自己哪里出了问题，也得到了需要调整的指令。此时，火箭的伺服机构和操纵机构就会充当“手”和“脚”的角色。以传统喷管可摆动的火箭为例，伺服机构和操纵机构的结构如图。左图显示的是放大后的操纵机构，这里以柔性摆动喷管为例。右图所示的为伺服机构和操纵机构的相对安装关系，右图蓝色框中的为操纵机构，红色框为操纵机构。

图5： 伺服机构和操纵机构 图源：小型固体火箭发动机摆动喷管设计技术研究

火箭伺服机构一般由伺服阀、作动器、反馈电位器和能源等组成，为流体、机械、电磁、电子一体化产品。以长征2F载人火箭为例，为提高可靠性，它采用了三冗余度伺服机构。这意味着同时有三台计算器对火箭的姿态、角度等进行控制。三者之间结果互相参考，当其中一个出现故障时，另外两个还能正常独立运作。

可摆动喷管的姿态调节原理为矢量推进控制，此外还有使用燃气舵的气动控制。如图所示，二者的主要区别在于，气动控制是时刻都有的，只要火箭还处于大气层环境内。而矢量控制是主动的，需要主动操作才有。同时气动控制无需推力，但矢量推进控制主要依靠发动机产生的推力。目前气动控制多见于导弹等武器，而对运载火箭而言，这两种方式都会使用到。同时，对于大推力火箭，起主要作用的还是矢量推进控制。

图6：气动控制和矢量推进控制，作者自制

图7： 某型号导弹模型，其中蓝色圈出的部分为燃气舵，作者供图

正是有了伺服机构和操纵机构的调整，火箭才能航向坚定不“跑偏”。

50年前，在那个物资匮乏的时代，我们筚路蓝缕，集中全国的力量发展航天事业，将东方红一号送上太空，在太空中有了一席之地。

50年后的今天，东方红一号已经成为航天史上的一座丰碑，中国航天事业也蓬勃发展，在和平探索和利用太空的道路上砥砺前行。火箭，为我国航天事业的腾飞插上翅膀；而火箭的姿态控制系统为其成功发射提供了强有力的后盾，为航天梦保驾护航。

参考文献

1.王春利编.航空航天推进系统[M].北京：北京理工大学出版社.2004

2.王玉新著.喷气发动机轴对称推力矢量喷管[M].北京：国防工业出版社.2006.

3.方昌德主编.航空发动机的发展历程[M].北京：航空工业出版社.2007.

4.王晓东. 导弹和运载火箭姿态稳定与控制技术发展的回顾和展望[J]. 导弹与航天运载技术, 2003(3):25-30.

5.吴燕生, 何麟书. Attitude control technology of new-generation launch Vehicles [J]. 北京航空航天大学学报, 2009, 035(011):1294-1297.

6.张卫东, 刘玉玺, 刘汉兵,等. 运载火箭姿态控制技术的发展趋势和展望[J]. 航天控制, 2017(03):86-90.

7.Armenise, Mario N, Ciminelli, Caterina, Dell'Olio, Francesco,等. Advances in gyroscope technologies[J]. 2010.

8.Herve C. Lefevre, Philippe Martin, Thierry P. Gaiffe,等. Latest advances in fiber optic gyroscope technology at Photonetics[J]. Proceedings of Spie the International Society for Optical Engineering, 1994, 2292:156-165.

9.国家国防科技工业局，http://clep.org.cn/n6909/n6990/c35671/content.html