运载火箭进入太空后,确实是依靠发动机喷射产生的反作用力,也就是推力来前进的。而真正的宇宙飞船(航天器)在太空中改变飞行姿态的方式,与飞机截然不同,其自由度是无限的,远超飞机。航天飞机虽然外形像飞机,但其机翼和尾翼在太空中毫无作用。它们唯一的用途是在返回地球时,像滑翔机一样自己降落在机场。而其他载人航天器的返回舱,无论在尺寸、重量还是功能性上,都远远小于航天飞机。在太空中,航天飞机的机翼和尾翼无法发挥作用,那么它是如何调整姿态的呢?答案就在航天飞机鼻子上的那些小洞,它们其实是姿态调整发动机的喷嘴。除了鼻子上,航天飞机的尾部,在三台主发动机周围,也有用于小幅度调整姿态的喷嘴,以及用于变轨的大喷嘴。火箭发动机种类繁多,工作原理各不相同,性能特点也各有千秋。一般来说,结构越简单,性能越差;结构越复杂,性能越高。当然,如果结构简单性能又强,那其他发动机就不存在了。调整姿态用的发动机,对推力和比冲的需求不像主发动机那么大,但在全工作寿命中可能需要点火非常多次,与火箭主发动机的工作条件完全不同。因此,这类发动机通常采用没有涡轮泵结构的单燃料或双燃料发动机,以减轻重量和复杂程度。有的甚至直接用高压空气喷出,形成一点推力,原理类似于吹起气球后撒手。这种发动机可能一个发动机有好几个喷嘴,指向不同方向,实现多方向的姿态控制功能。当然,也有多个发动机互为冗余。虽然视觉效果不如主发动机复杂,但威武雄壮的主发动机也可以提供一些姿态调整功能,比如通过调整角度。除了喷出气体形成推力,还可以喷出离子,这就需要对惰性气体进行电离,然后电场加速喷出。这种方法耗电量大,推力低,但比冲极高。这就是离子推进器的基本原理。除了喷出物质控制姿态,还可以使用飞轮。航天器上会装几个大转动惯量的飞轮,当需要转向时,飞轮同向减速或反方向加速,航天器就会转动。但飞轮转速不能无限快,当转速达到一定程度后,就需要姿态调整发动机点火,飞轮刹车,以平衡转距。这样既减少了发动机点火次数,又提高了工作效率。工程师们通过这些稀奇古怪的方法,征服了天空,实现了在空气中自由活动;几十年后,又征服了太空,实现了在虚无缥缈的太空中自由活动。这充分展示了人类的伟大创造力和探索精神。
运载火箭进入太空后是靠发动机喷射产生的反作用力,也就是推力前进的。真正的宇宙飞船(航天器)改变飞行姿态的自由度是无限的,碾压所有飞机。
航天飞机长得像个飞机似的,然而它的机翼和尾翼在太空中,毫无作用啊!唯一的用处就是在返回的时候像个飞机(其实是噩梦气动的滑翔机)一样自己降落在机场。
其它的载人航天器返回舱尺寸重量功能性都远远小于航天飞机。那像737这么大个东西,在太空中,机翼和尾翼都没用,咋调整姿态呢。
看它鼻子上那几个洞了么,其实就是姿态调整发动机的喷嘴。
除了鼻子上,它屁股上,在三台SSME主发周围还有几个喷嘴,小的调整姿态,大的是航天飞机进行变轨时候用的。
火箭发动机有很多种,工作原理各不相同,也各有特点。简单粗暴地讲,越简单的性能(比冲和推力)越差,越复杂的性能越高。假如结构简单,性能还强,那会造成不存在其它发动机,对吧?
火箭发动机回答文章我以前写过很多,比如说:
调整姿态用的发动机对推力和比冲的需求不像主发动机那么大,但是在全工作寿命中可能需要点火非常多次,跟火箭主发动机的工作条件完全不同。所以调整姿态用的发动机通常用没有涡轮泵结构的单燃料或者双燃料发动机,省了重量和复杂程度。甚至有的还用高压空气直接喷出去,形成那么一点推力就够了,原理完全等同于吹起来气球一撒手,比如宇航员太空行走的那套衣服。
这样的发动机,也会出现一个发动机好几个喷嘴,指向不同的方向,所以一个发动机就可以实现好几个方向的姿态控制功能,当然还有多个发动机互为冗余。
这种发动机视觉效果,那肯定是不如威武雄壮的主发动机复杂。
然而威武雄壮的主发动机也可以提供一些姿态调整功能,比如上图这个SSME,通过调整角度就行了。
还有另一方案,Soyuz的底部,很明显大喷嘴的旁边还有小喷嘴。(这火箭浑身上下充满了CCCP气质,一光年之外都能辨认出自谁手)
主发动机分出点燃料和氧化剂给小的喷嘴,用以调整姿态,推力当然远远低于主发动机。
除了喷出去(经过化学反应或者没经过)气体形成推力,还可以喷出去离子,这就是需要对惰性气体进行电离,然后电场加速喷出,耗电量大了点推力低了点,但是比冲逆天的高啊!不同的产品会有些区别,但是基本原理大差不差。
这其实就是离子推进器:
除了喷出去点啥东西控制姿态,还有个方法,就是用飞轮,其实这玩意通常和发动机协同作用。
航天器会在身上装几个大转动惯量的飞轮,当航天器需要转向的的时候,飞轮同向减速或者反方向加速,航天器就转过来了。可是问题来了,如果一个航天器绕着地球转,需要随时指向地球,那就需要航天器不停地往一个方向转,飞轮越来越快,转速不能无限快啊,而且真空失重极寒环境下轴承也没那么好伺候。
当飞轮转速积攒到一定程度,不能再快了,这时候姿态调整发动机点火,飞轮刹车,转距平衡。飞轮速度下来了,发动机熄火,然后飞轮就又可以继续工作了。这样减少了发动机的点火次数,增加了每次点火时间,提高了工作效率。
工程师还是非常伟大的,先是征服了天空,实现了在虚无缥缈的空气中自由活动,几十年后又通过这一堆稀奇古怪的玩意征服了literally虚无缥缈的太空,我们好棒。
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