火箭上天后，我们要怎么控制它？

原来我说过，窜天猴和运载火箭从本质原理上来讲，完全相同，很多人不服。那好吧，至少如果是一发运载火箭的话，它至少得能够自己控制自己，让它所运载的航天器精确入轨。

要知道如何控制一发火箭，首先得知道，我们需要控制火箭的哪些动作。就如同一辆车一样，我们能控制它干什么？开个天窗，放个音乐，打个转向灯，开个雨刷，这些不是车的核心功能，核心功能是什么呢？加速、减速、左转、右转。导弹飞行也一样，从运动上来说，前进、后退、向左、向右，这是最基本的。对于一个飞行器来说，它又比汽车多了两个，那就是向上，向下。

上下、左右、前后、这在力学上叫做平动自由度。上下左右前后这是几个自由度呢？不是六个，是三个，因为在数学上，下等于负上，右等于负左，后等于负前，所以用三个自由度就可以描述它们。我们控制一个飞行器，最终就是要控制这三个自由度，让它在应该在的位置上。但是为了控制这三个自由度，通常而言，我们需要用另外三个运动自由度，分别是俯仰、偏航和滚转，这三个自由度叫做转动自由度。

举一个例子，如果一发火箭想让自己的弹道往上调整的话，通常而言它会先让自己抬头，这样一来我们会发现一方面，它喷气的方向更加朝下了，会获得更多的向上的力，另一方面，如果这时候周围还有空气的话，它的迎角也会变大，也会给它更大的向上的升力，它就往上走了。你问我能不能直接朝侧向喷气让它上下左右平移呢？当然可以，只不过比较费气，还费钱，用在武器上是很好的，用在运载火箭上，有些划不来。大部分的运载火箭，控制的都是俯仰偏航和滚转这三个方向的转动。

配图来自图虫网

至于如何控制这三个方向的转动，那就是五花八门了，我们可以先来看看现代火箭的祖宗，V-2导弹，在V-2上面，有两种控制自己的方式，一种在它的弹翼外端，也就是可以偏转的气动舵面。当水平的片舵面上下偏转的时候，火箭就会俯仰，垂直的这两片舵面左右偏转的时候，火箭就会左右偏航。如果相对的两片舵的偏转方向不一致，火箭就会滚转。

既然它叫气动舵面，它就得用到空气动力学，用空气动力学产生的力，一般都可以通过以下式子获得：

F=1/2ρv²×C×S，你依然不用完全看懂它，只需要知道前面这一坨叫做动压，动压大了，气动力就会大。而动压里面的两个量，一个是飞行速度，另一个是空气密度。也就是说，如果是火箭飞的太慢，或者是火箭飞的太高空气没了，那么气动也就没了。飞的太慢主要发生在它刚刚离地的时候，飞得太高那就是火箭的常态了。

所以呢，V-2上还有另外一套控制自己的部件，也就是喷口后面的这四个片片，这四个片片叫做燃气舵，当它们偏转的时候，会让发动机喷出的燃气偏转，从而产生控制力矩，因为要偏转的东西比较小，所以这种方法结构简单方便。然而，这个燃气舵要承受火箭燃气的冲刷，所以对材料的要求比较高，控制效率却很一般.另外，你就这么挡在喷口后面，那不得有推力损失嘛，对于V-2导弹来说，这些燃气舵的推力损失大约有3%到5%。

我们的长征一号运载火箭，也就是发射东方红一号卫星的那种，用的也是这种燃气舵。想要让控制效率进一步提升，可以用摆动发动机，也就是让火箭发动机直接偏转，从而让喷出的火苗子也偏转，这一偏转就就可以让火箭也转动起来了。我们是从长征二号开始有这种摆动发动机的，它的一级有四台发动机，每台发动机都可以沿着火箭切线摆动，当上下两个发动机左右摆的时候，火箭就会左右偏航，当左右两台发动机上下摆的时候，火箭就会上下俯仰，如果左右或者上下的摆动方向不一致的之后，火箭就可以滚动了。

到了长征二号的二级，只有一个主发动机了，要怎么控制呢？事实上，长征二号二级的这台主发动机干脆就不摆动了，而是在周围加了四台小发动机，让它们按照和一级一样的规律去摆动，这四台小发动机叫做游动发动机，简称游机。

无论是长征二号的一级，还是二级的游机，它们都只能朝一个方向摆动，如果发动机可以上下左右双向摆动的话，控制起来会更容易，比如长征五号和长征7号的芯级，都只有两台发动机，但是这两台可以双向摆动，所以既可以控制俯仰，也可以控制偏航，如果两台发动机差动，还可以控制滚转。而长征七号的的二级虽然有四台发动机，但是只有其中的两台摆动，另外两台可以直接焊死，靠的也是这种双向摆动技术。发动机摆动肯定需要操纵部件来扳动它，而摆动的部分越大越重，这个操纵部件就需要更大的力量，而更大的力量在相同条件下一般都意味着更大的重量和个头，所以我们想让发动机摆动的部分尽可能小一点。

于是2017年，我们国家试验成功了泵后摆技术，从上节课我们知道，液体火箭发动机有很大一部分是燃料泵，在之前，这些燃料泵什么的都要跟着一起摇摆，而所谓泵后摆，就指的是燃料泵之类的部件不摆了，只有后面的一部分摆动，这样的结构更紧凑，所需要的作动机构更小，从重量和空间上都能节省不少。从名字也能看出来，泵前摆还是泵后摆，说的肯定是液体火箭发动机，因为前面讲过，固体火箭就没有泵，对于固体火箭而言，这种技术叫做摆动喷管，也就是只让它喷气的那张嘴摆动。

这些年，我国出现了一些使用固体火箭发动机的小型运载火箭，它们机动性好，成本低廉，比如捷龙、快舟。如果我们回头去看最新的快舟十一号的发射视频就会发现，它与别的火箭有一些不同。它的头上有一个小尖尖，在起飞之后，这个小尖尖会朝侧面喷火。事实上，这里喷火的就叫做固定式姿态控制发动机。这些小发动机是朝着火箭侧面喷气的，但是它并不是直接让火箭侧向平移，而依然是让火箭偏转。

在快舟身上，起到这个作用的还有它下面的这四片像铁丝网一样的东西，这个东西并不是铁丝网，而是栅格舵，本质上讲，它与一般的气动舵面一样，而它的优势在于，在相同的体积下可以产生更大的气动力，效率更高，这是因为它相当于是把产生气动力的面积叠在了一起，形成了一张网，而这张网还可以折叠起来，从而使飞行器的体积减小。

spacex的猎鹰九号在回收时就是靠这样的舵面来控制，而咱们得载人火箭长二F的头部也有这样的栅格舵，当逃逸救生系统启动时，它会展开，开始工作。当然，刚才说了，有空气有速度才能有气动，所以这几种火箭上的栅格舵，也只有在一定速度和高度下才能产生控制效果。

好了，关于如何控制一发火箭，你学会了吗？

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：苟胜老师

审核：周炳红（中国科学院国家空间科学中心 研究员）

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司