長征5號火箭尾翼固定不動，它靠什么實現轉彎？

中國古代的智者說“失之毫厘謬以千里”，盡管《周易》中這句話講的是一個哲學問題，其原因當然不是談航天技術，然而今天我們用這句話來形容火箭發射卻是再恰當不過了。

對于運載火箭的設計師來說，他們努力打造的火箭比擎天柱還粗，但這些幾百上千噸的“大老粗”要干的活兒卻是比繡花針還細的。在火箭發射過程中哪怕是出一點點紕漏，軌跡發生毫厘的偏差，最后的結果就是價值數億的衛星不能進入正確軌道而報廢，而時間的損失更是無法以金錢來衡量。

長征5號

程序轉彎

為了將衛星準確送到地球同步靜止軌道，同時也向地球自轉“借一點兒力”，地面控制中心的指揮員在長征5號火箭在起飛后不久就發出了“程序轉彎”的指令，這個自重達869噸的大塊頭開始一點點地向東南方向傾斜，飛向太平洋的上空。

事實上，長征5號飛行的軌跡早在發射之前就已經寫入了箭載計算機的控制程序。火箭什么時間開始轉彎、以多大的角度轉彎、維持什么樣的飛行軌跡等一系列的飛行參數是一早就精確計算并確定的，箭載計算機會將這些參數與箭上的傳感器進行實時比對并自動調整飛行姿態，飛行控制中心只需要監測箭上計算機反饋的傳感器數據并與各地面測控站進行匹配，一般不需要手動調整，也來不及手動控制。

程序轉彎

正因為如此，運載火箭在發射初期的軌道偏轉被稱為“程序轉彎”。

長征5號的尾翼

與長征6號不同，長征5號火箭擁有4片巨大的尾翼，這4片安裝在火箭助推器下端的尾翼每一片都有4米多高，當然跟20多層樓高的長征5號比起來就顯得不那么扎眼。

長征6號與長征5號對比

我們知道飛機是通過調整它翅膀上的襟翼以及垂直尾翼角度來實現起降和轉彎，長征5號火箭也是通過調整尾翼來轉彎的嗎？其實并不是這樣，與其他國家大火箭一樣，長征5號的尾翼是固定不動的，它安裝在火箭上只起到一個穩定飛行的作用。比如說世界上已經服役過的最大火箭土星V號，它也安裝了幾個巨大的尾翼，而與土星V差不多大小的前蘇聯N1-L3火箭安裝的則是格柵式尾翼。

土星V與N1-L3火箭

并不是所有的運載火箭都會安裝尾翼，世界上現役的許多大火箭都沒有安裝尾翼，比如說獵鷹火箭、Atlas V、俄羅斯的質子和歐洲的阿麗亞娜5型運載火箭等等。

現役大型運載火箭

火箭怎么轉彎？

火箭轉彎不靠尾翼，尾翼通常是在大氣層內對火箭飛行起穩定的作用，一旦飛出大氣層它就變得一無是處。當然啦，運載火箭在飛出大氣層之前就會拋棄它的助推器和芯一級，尾翼自然也連帶著被拋棄掉了。

大多數的運載火箭都是靠發動機實現轉彎的。

火箭在飛行的過程中一方面需要按照既定程序調整飛行軌跡，同時大氣層內多變的氣流也會對飛行姿態造成干擾，如果不能及時進行調整，火箭就會被吹偏，這將導致偏離預定軌道。

當運載火箭偏離軌道時，箭上的陀螺儀會首先檢測到火箭姿態變化。火箭的傾角第一時間傳送到箭載計算機與預定參數比對，計算機實時將相關指令發送到伺服機構、啟動轉向發動機或調整主發動機噴口的角度進行糾偏。

火箭靠調整主發動機角度實現轉彎

一部分航天器專門設置了轉向發動機。

著名的美國航天飛機在它的許多部位都安裝有多臺“游標發動機”，通過這些發動機噴出的氣流，航天飛機可以在太空中進行精確復雜的姿態調整。

航天飛機前端的調姿發動機噴口

同樣地，美國的阿波羅登月艙和中國嫦娥系列月球著陸器上也裝配了多臺姿態調整發動機，這些發動機通過向各個方向噴射氣體來調整角度，哈勃太空望遠鏡上的調姿發動機甚至可以進行微牛級的調整，它噴出的氣流比你的呼吸還要輕柔許多。

嫦娥月球著陸器側面的調姿發動機

美國的阿特拉斯火箭在它的箭體側下方安裝了三臺游標發動機以提供側向推力，在主發動機姿態控制系統不夠先進、不能滿足要求的情況下，這種游標發動機可以提供更加精確的偏轉角度控制。

游標發動機

俄羅斯的聯盟火箭的主發動機是固定不動的，設計者將多臺小的調姿發動機與主發動機裝在一起，它的一級火箭和四枚助推器上一共安裝了12臺調姿發動機。通過偏轉調整發動機的噴射角度，也可以實現火箭轉彎。

聯盟火箭調姿發動機

長征5號的與其它主流大火箭一樣，都是依靠隨機調整主推力發動機的噴口角度來實現轉向，這種技術被稱為萬向節推力系統。有人也稱其為矢量推力系統，實際上這并不準確，因為火箭主發動機并不能隨意調整噴口的射流速度，也無法線性改變其推力大小。

萬向節推力系統

與俄羅斯聯盟火箭不同，長征5號火箭的推進發動機是安裝在一個被稱為“萬向架”的活動裝置上，這樣發動機可以在一定角度范圍內任意偏轉，從而可以向不同方向噴射氣流。

長征5號火箭主發動機

下面是一張火箭偏轉方向與發動機推力偏轉方向的對應關系示意圖，從圖中我們可以看出，當火箭處于垂直上升狀態時，發動機噴嘴垂直向下噴射氣流；當發動機向左側噴射氣流時，其推力作用于火箭重心產生扭矩，火箭運動方向也指向左邊；與之相反，火箭將向右側飛行。

推進角與火箭姿態的關系

2013年，由于火箭裝配過程中一個監測火箭姿態的陀螺儀被裝反，俄羅斯質子-M火箭在發射時失控并墜毀在發射場附近。當火箭離開發射臺開始上升的過程中陀螺儀發出了錯誤的信號，火箭發動機被迫在箭載計算機的指令下不斷調整噴射角度，于是我們可以清晰地看到主發動機噴射出的火焰與火箭運動姿態之間的力學關系。

質子-M發射過程中的糾偏

總結：

長征5號上安裝的尾翼僅起到穩定火箭飛行的作用，它不能進行偏轉調整，火箭的偏轉完全通過萬向節推力發動機來實現。

長征火箭上面的計算機在發射之前就已經被輸入了飛行過程中的所有軌道參數。起飛后，計算機會不斷將箭上傳感器采集的數據、地面遙測指令等與這些參數進行比對，實時操縱火箭發動機進行角度偏轉。

火箭萬向節的液壓角度調整考驗的是繡花針功夫，在極高的飛行速度下，發動機噴嘴每偏轉一個極小的角度，體現到火箭上往往是幾十公里的軌道偏差，也決定了火箭最終能否準確入軌。長征5號通過將實踐20號衛星成功推送并定點于地球同步靜止軌道上，證明了大推力火箭技術已經達到了世界一流水平，這是一個好開端，我們理應為之驕傲、為之自豪。

長征5號遙3成功發射

長五成功，長九可期，我們的目標是星辰大海！