原來我說過，竄天猴和運載火箭從本質原理上來講，完全相同，很多人不服。那好吧，至少如果是一發運載火箭的話，它至少得能夠自己控制自己，讓它所運載的航天器精確入軌。

要知道如何控制一發火箭，首先得知道，我們需要控制火箭的哪些動作。就如同一輛車一樣，我們能控制它干什么？開個天窗，放個音樂，打個轉向燈，開個雨刷，這些不是車的核心功能，核心功能是什么呢？加速、減速、左轉、右轉。導彈飛行也一樣，從運動上來說，前進、后退、向左、向右，這是最基本的。對于一個飛行器來說，它又比汽車多了兩個，那就是向上，向下。

上下、左右、前后、這在力學上叫做平動自由度。上下左右前后這是幾個自由度呢？不是六個，是三個，因為在數學上，下等于負上，右等于負左，后等于負前，所以用三個自由度就可以描述它們。我們控制一個飛行器，最終就是要控制這三個自由度，讓它在應該在的位置上。但是為了控制這三個自由度，通常而言，我們需要用另外三個運動自由度，分別是俯仰、偏航和滾轉，這三個自由度叫做轉動自由度。

舉一個例子，如果一發火箭想讓自己的彈道往上調整的話，通常而言它會先讓自己抬頭，這樣一來我們會發現一方面，它噴氣的方向更加朝下了，會獲得更多的向上的力，另一方面，如果這時候周圍還有空氣的話，它的迎角也會變大，也會給它更大的向上的升力，它就往上走了。你問我能不能直接朝側向噴氣讓它上下左右平移呢？當然可以，只不過比較費氣，還費錢，用在武器上是很好的，用在運載火箭上，有些劃不來。大部分的運載火箭，控制的都是俯仰偏航和滾轉這三個方向的轉動。

配圖來自圖蟲網

至于如何控制這三個方向的轉動，那就是五花八門了，我們可以先來看看現代火箭的祖宗，V-2導彈，在V-2上面，有兩種控制自己的方式，一種在它的彈翼外端，也就是可以偏轉的氣動舵面。當水平的片舵面上下偏轉的時候，火箭就會俯仰，垂直的這兩片舵面左右偏轉的時候，火箭就會左右偏航。如果相對的兩片舵的偏轉方向不一致，火箭就會滾轉。

既然它叫氣動舵面，它就得用到空氣動力學，用空氣動力學產生的力，一般都可以通過以下式子獲得：

F=1/2ρv2×C×S，你依然不用完全看懂它，只需要知道前面這一坨叫做動壓，動壓大了，氣動力就會大。而動壓里面的兩個量，一個是飛行速度，另一個是空氣密度。也就是說，如果是火箭飛的太慢，或者是火箭飛的太高空氣沒了，那么氣動也就沒了。飛的太慢主要發生在它剛剛離地的時候，飛得太高那就是火箭的常態了。

所以呢，V-2上還有另外一套控制自己的部件，也就是噴口后面的這四個片片，這四個片片叫做燃氣舵，當它們偏轉的時候，會讓發動機噴出的燃氣偏轉，從而產生控制力矩，因為要偏轉的東西比較小，所以這種方法結構簡單方便。然而，這個燃氣舵要承受火箭燃氣的沖刷，所以對材料的要求比較高，控制效率卻很一般.另外，你就這么擋在噴口后面，那不得有推力損失嘛，對于V-2導彈來說，這些燃氣舵的推力損失大約有3%到5%。

我們的長征一號運載火箭，也就是發射東方紅一號衛星的那種，用的也是這種燃氣舵。想要讓控制效率進一步提升，可以用擺動發動機，也就是讓火箭發動機直接偏轉，從而讓噴出的火苗子也偏轉，這一偏轉就就可以讓火箭也轉動起來了。我們是從長征二號開始有這種擺動發動機的，它的一級有四臺發動機，每臺發動機都可以沿著火箭切線擺動，當上下兩個發動機左右擺的時候，火箭就會左右偏航，當左右兩臺發動機上下擺的時候，火箭就會上下俯仰，如果左右或者上下的擺動方向不一致的之后，火箭就可以滾動了。

到了長征二號的二級，只有一個主發動機了，要怎么控制呢？事實上，長征二號二級的這臺主發動機干脆就不擺動了，而是在周圍加了四臺小發動機，讓它們按照和一級一樣的規律去擺動，這四臺小發動機叫做游動發動機，簡稱游機。

無論是長征二號的一級，還是二級的游機，它們都只能朝一個方向擺動，如果發動機可以上下左右雙向擺動的話，控制起來會更容易，比如長征五號和長征7號的芯級，都只有兩臺發動機，但是這兩臺可以雙向擺動，所以既可以控制俯仰，也可以控制偏航，如果兩臺發動機差動，還可以控制滾轉。而長征七號的的二級雖然有四臺發動機，但是只有其中的兩臺擺動，另外兩臺可以直接焊死，靠的也是這種雙向擺動技術。發動機擺動肯定需要操縱部件來扳動它，而擺動的部分越大越重，這個操縱部件就需要更大的力量，而更大的力量在相同條件下一般都意味著更大的重量和個頭，所以我們想讓發動機擺動的部分盡可能小一點。

于是2017年，我們國家試驗成功了泵后擺技術，從上節課我們知道，液體火箭發動機有很大一部分是燃料泵，在之前，這些燃料泵什么的都要跟著一起搖擺，而所謂泵后擺，就指的是燃料泵之類的部件不擺了，只有后面的一部分擺動，這樣的結構更緊湊，所需要的作動機構更小，從重量和空間上都能節省不少。從名字也能看出來，泵前擺還是泵后擺，說的肯定是液體火箭發動機，因為前面講過，固體火箭就沒有泵，對于固體火箭而言，這種技術叫做擺動噴管，也就是只讓它噴氣的那張嘴擺動。

這些年，我國出現了一些使用固體火箭發動機的小型運載火箭，它們機動性好，成本低廉，比如捷龍、快舟。如果我們回頭去看最新的快舟十一號的發射視頻就會發現，它與別的火箭有一些不同。它的頭上有一個小尖尖，在起飛之后，這個小尖尖會朝側面噴火。事實上，這里噴火的就叫做固定式姿態控制發動機。這些小發動機是朝著火箭側面噴氣的，但是它并不是直接讓火箭側向平移，而依然是讓火箭偏轉。

在快舟身上，起到這個作用的還有它下面的這四片像鐵絲網一樣的東西，這個東西并不是鐵絲網，而是柵格舵，本質上講，它與一般的氣動舵面一樣，而它的優勢在于，在相同的體積下可以產生更大的氣動力，效率更高，這是因為它相當于是把產生氣動力的面積疊在了一起，形成了一張網，而這張網還可以折疊起來，從而使飛行器的體積減小。

spacex的獵鷹九號在回收時就是靠這樣的舵面來控制，而咱們得載人火箭長二F的頭部也有這樣的柵格舵，當逃逸救生系統啟動時，它會展開，開始工作。當然，剛才說了，有空氣有速度才能有氣動，所以這幾種火箭上的柵格舵，也只有在一定速度和高度下才能產生控制效果。

好了，關于如何控制一發火箭，你學會了嗎？

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：茍勝老師

審核：周炳紅（中國科學院國家空間科學中心 研究員）

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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