出品：科普中國

製作：祁敏（北京航空航天大學）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2020年4月24日是第五個"中國航天日"，今年航天日的主題是"弘揚航天精神，擁抱星辰大海"。短短一句話，彰顯了中國航天人不忘初心的堅持和進軍深空的熱望。

在地球上，向星辰大海前進的第一步便是火箭發射，如果不能掙脫地心引力的束縛，一切都將無從談起。

以目前我國比較先進的重型運載火箭——長征五號B爲例，它的全長達到53.7米，起飛質量可達849噸。想要將這樣的龐然大物送上太空，自然少不了推力強大的火箭發動機。

那麼，不知道大家有沒有想過，火箭發動機的推力那麼猛，火箭在飛行中如何保證自己處於正確的姿態而不發生"跑偏"？如果姿態發生異常時火箭又是如何進行調整的呢？這篇文章就帶大家瞭解一下火箭姿態控制和調整系統是如何"馴服"火箭的。

火箭內心獨白：我在哪，我在做什麼？

對於火箭的姿態控制而言，最首要的任務在於先明白自己的姿態處於怎樣的情況。試想手握方向盤的你想要通過車水馬龍的街道時，是否想起了科目考試那句話：先觀察路口情況？

對於火箭同樣如此。而火箭"觀察"自己角度（朝向）和速度的途徑，是陀螺儀和加速度計。陀螺儀的結構及運作的大致原理如下面的動圖所示。

陀螺儀的原理比較複雜，不過我們可以將、 它類比成我們平常玩的陀螺，只是這個陀螺的轉速相當高。我們在玩陀螺的時候都能看到，陀螺轉的越快，它越容易維持轉動姿態。

而火箭用到的就是一種高速旋轉的陀螺儀。陀螺儀有一個性質，它在高速旋轉的時候其轉動所圍繞的軸不會發生變化。根據這一特性，我們就可以得到火箭飛行過程中的角度，也即朝向。

下圖中展示的是航空領域早期的陀螺儀，它就是通過上述性質來測量當前航向角度的。一般的火箭會安裝三個速率陀螺，由於載人火箭具有高可靠性要求，可能會配備更多的陀螺儀。如長征2F載人火箭安裝了六個速率陀螺，分別測量火箭的俯仰角速度、偏航角速度和滾動角速度。

除傳統的機械陀螺儀以外，還有激光陀螺儀、光纖陀螺儀、量子陀螺儀和微機電MEMS陀螺儀等。激光陀螺儀和光纖陀螺儀是目前在航空航天領域應用更多的陀螺儀，它的精度更高、反應更快、可靠性也更強。此外，量子陀螺儀也有極高的精度，但結構也更復雜。

生活中較爲常見的是微機電MEMS陀螺儀，一般更廣泛地應用於消費類電子產品中，如手機、VR設備、移動遊戲機及相機等。

不過，知道朝向還不夠，還要時刻檢查"油門"，也就是火箭的加速度。經典加速度計的原理如圖所示，其中藍色的殼體安裝在火箭上，感受軸線與想要測得的火箭加速度方向平行。在火箭有加速度時，兩個彈簧的力將有所區別。此時中間的滑塊會有位置上的變化。位置變化帶動上方的接觸點變化，從而影響電壓輸出。加速度大，輸出電壓的部分所分得的電壓就越小，就可以根據輸出的值計算火箭此時的加速度。

當然，這只是一個加速度計原理的簡單示例，現在還有很多其他原理的加速度計，如電容式（通過測量電容的變化來檢測加速度的變化）、電感式、應變式、壓阻式（通過使用壓敏元件將受到的力的微小變化轉變爲電信號）和壓電式等等。這些都是各種運載工具瞭解自己速度的途徑和方法。

假如火箭"跑偏"，誰來下令糾正？

假設火箭現在"看"到自己飛行的方向和速度存在種種問題，及時調整就是必須的了。不過，具體做什麼樣的調整還需要一個"大腦"來統合處理"看到"的各種問題。

調整火箭姿態涉及到自動控制的一些理論，具體情況當然非常複雜，我們只能粗略的介紹一些其中的要點。火箭首先通過陀螺儀得到姿態信息，在經過一系列處理將姿態信息轉化成可用的信號。這個處理過程包括對測量信息的運算、轉換和放大等。之後，控制系統將這些經過轉化後的信息編製成可用於操作火箭的命令，進而實現對火箭的操控。

簡單理解，通過陀螺儀和加速度計，可以知道火箭在天上的角度和速度，角度有沒有跑偏？是快了還是慢了？當得到相關信息後，將這些值與預先設計好的值進行對比（還是類比開車，我們要儘量讓車保持在道路的中央）。對比發現一切正常，就可以繼續飛行過程；對比一旦發現角度與設定值偏差太大（好比汽車要撞到柵欄了），或者速度過高或過低了（低於最低限速或高於最高限速了），那就需要進行一些調整。

此時箭載計算機將會經過運算給出指令，通過特定的機構來實現調整。那麼這些特定的機構，又是一些怎樣對火箭姿態進行調整的呢？

如何把"跑偏"的火箭拉回正確的方向？

現在我們假設火箭已經知道自己哪裏出了問題，也得到了需要調整的指令。此時，火箭的伺服機構和操縱機構就會充當"手"和"腳"的角色。以傳統噴管可擺動的火箭爲例，伺服機構和操縱機構的結構如圖。左圖顯示的是放大後的操縱機構，這裏以柔性擺動噴管爲例。右圖所示的爲伺服機構和操縱機構的相對安裝關係，右圖藍色框中的爲操縱機構，紅色框爲操縱機構。

火箭伺服機構一般由伺服閥、作動器、反饋電位器和能源等組成，爲流體、機械、電磁、電子一體化產品。以長征2F載人火箭爲例，爲提高可靠性，它採用了三冗餘度伺服機構。這意味着同時有三臺計算器對火箭的姿態、角度等進行控制。三者之間結果互相參考，當其中一個出現故障時，另外兩個還能正常獨立運作。

可擺動噴管的姿態調節原理爲矢量推進控制，此外還有使用燃氣舵的氣動控制。如圖所示，二者的主要區別在於，氣動控制是時刻都有的，只要火箭還處於大氣層環境內。而矢量控制是主動的，需要主動操作纔有。同時氣動控制無需推力，但矢量推進控制主要依靠發動機產生的推力。目前氣動控制多見於導彈等武器，而對運載火箭而言，這兩種方式都會使用到。同時，對於大推力火箭，起主要作用的還是矢量推進控制。

正是有了伺服機構和操縱機構的調整，火箭才能航向堅定不"跑偏"。

50年前，在那個物資匱乏的時代，我們篳路藍縷，集中全國的力量發展航天事業，將東方紅一號送上太空，在太空中有了一席之地。

50年後的今天，東方紅一號已經成爲航天史上的一座豐碑，中國航天事業也蓬勃發展，在和平探索和利用太空的道路上砥礪前行。火箭，爲我國航天事業的騰飛插上翅膀；而火箭的姿態控制系統爲其成功發射提供了強有力的後盾，爲航天夢保駕護航。

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