揚子晚報網12月28日訊（記者 楊甜子）不少對航空航天感興趣的讀者，在收看火箭發射直播時，多半都會注意到這樣一種現象：點火起飛後的火箭，以垂直的狀態起飛昇空，不會發生傾斜。這到底是什麼原因？南京航空航天大學航天學院聞新教授帶領著學院的科普教學輔助研發團隊，歷經了兩年多的時間開發了一系列火箭穩定控制的實驗演示的輔教裝置，用通俗易懂的方式回答了這一問題。
火箭穩定控制實驗演示裝置
記者注意到，這是一個模擬發射架，發射架可以通過演示火箭升空的“慢動作”，結合火箭穩定控制原理來解釋，人工智能理論研發的火箭穩定控制裝置在火箭升空中起到的作用。南航研究生王俊鴻告訴記者，通過這套輔教裝置的解讀，火箭在升空時為啥不倒，輕輕一“碰”就能知道。“不倒”的“核心機關”就在於它的發動機和陀螺儀，這兩個裝置由計算機（姿態控制器）來協同工作，保持火箭垂直飛行。“注意一下火箭的發動機，上面有很多的噴口，這些正是調節火箭升空角度的關鍵。”王俊鴻介紹，火箭發動機為火箭的升空提供推進力。火箭升空後，遇到任何水平方向的氣流和阻力時，都會產生極其微小的傾角，在高速推進過程中會產生角速度，此時火箭會倒向一邊。
長徵五號火箭發動機噴口
“這個狀態大家其實在生活中見過，拿一個吹足氣的氣球，猛的一鬆手，氣球在空間裡‘亂竄’的狀態，就和火箭此時的狀態有些類似。”科研人員為了調整這一問題，給火箭設計了多個發動機噴口，它們可以向不同的方位旋轉，幾個噴口可以在不同位置上產生不同的推進力，使得推力的方向豎直地鎖定在火箭的質心上，當火箭發生傾斜時，姿態控制器就會不斷調整發動機的噴口，讓火箭保持垂直髮射。
童年時玩過陀螺
那麼，接下來又會產生一個疑惑的問題，姿態控制器怎麼知道火箭在垂直飛行過程中出現了微小的傾斜趨勢呢？南航聞新教授補充道，這裡秘密就在於它的陀螺儀。大家小時候都玩過陀螺，陀螺可以在高速旋轉的情況下與水平的地面保持垂直，並且流暢運動。航天工程師利用陀螺這種對稱物體自旋穩定的特性，解決了火箭升空時姿態控制的難題。在火箭控制艙內安裝一個電動陀螺儀，當火箭傾倒時陀螺儀自轉軸的方向始終保持不變，而陀螺儀底部的基座則會產生一定的轉角，通過傳感器將這個變化的轉角轉變成大小不同的電勢差，從而通過計算機控制發動機來保持火箭的穩定飛行。
聞新告訴記者，雖然現在國內外的航空航天技術已經非常先進了，但由於火箭姿態穩定控制系統的複雜性，依然讓科研人員處在不斷的攻堅克難的狀態中。火箭在飛行時，有時還是需要人工幹預火箭的飛行姿態。有時，為了提高精度，火箭姿態控制系統中還安裝了北鬥導航儀、星敏感器和加速度計，以此來修正和鎖定火箭飛行軌跡。
視頻剪輯：戎毅曄
校對 盛媛媛
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