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运载火箭凭什么能航向坚定不“跑偏”?

  2020424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所示。

  

  1:航空陀螺仪的原理 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。

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