運載火箭進入太空後是靠發動機噴射產生的反作用力,也就是推力前進的。真正的宇宙飛船(航天器)改變飛行姿態的自由度是無限的,碾壓所有飛機。

太空梭長得像個飛機似的,然而它的機翼和尾翼在太空中,毫無作用啊!唯一的用處就是在返回的時候像個飛機(其實是噩夢氣動的滑翔機)一樣自己降落在機場。

其它的載人航天器返回艙尺寸重量功能性都遠遠小於太空梭。那像737這麼大個東西,在太空中,機翼和尾翼都沒用,咋調整姿態呢。

看它鼻子上那幾個洞了么,其實就是姿態調整發動機的噴嘴。

除了鼻子上,它屁股上,在三台SSME主發周圍還有幾個噴嘴,小的調整姿態,大的是太空梭進行變軌時候用的。

火箭發動機有很多種,工作原理各不相同,也各有特點。簡單粗暴地講,越簡單的性能(比沖和推力)越差,越複雜的性能越高。假如結構簡單,性能還強,那會造成不存在其它發動機,對吧?

火箭發動機回答文章我以前寫過很多,比如說:

火箭固態發動機的工作原理是怎樣的??

www.zhihu.com圖標火箭發動機的全流量分級燃燒循環什麼缺點都沒有嗎??

www.zhihu.com圖標

調整姿態用的發動機對推力和比沖的需求不像主發動機那麼大,但是在全工作壽命中可能需要點火非常多次,跟火箭主發動機的工作條件完全不同。所以調整姿態用的發動機通常用沒有渦輪泵結構的單燃料或者雙燃料發動機,省了重量和複雜程度。甚至有的還用高壓空氣直接噴出去,形成那麼一點推力就夠了,原理完全等同於吹起來氣球一撒手,比如宇航員太空行走的那套衣服。

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這樣的發動機,也會出現一個發動機好幾個噴嘴,指向不同的方向,所以一個發動機就可以實現好幾個方向的姿態控制功能,當然還有多個發動機互為冗餘。

這種發動機視覺效果,那肯定是不如威武雄壯的主發動機複雜。

然而威武雄壯的主發動機也可以提供一些姿態調整功能,比如上圖這個SSME,通過調整角度就行了。

還有另一方案,Soyuz的底部,很明顯大噴嘴的旁邊還有小噴嘴。(這火箭渾身上下充滿了CCCP氣質,一光年之外都能辨認出自誰手)

主發動機分出點燃料和氧化劑給小的噴嘴,用以調整姿態,推力當然遠遠低於主發動機。

除了噴出去(經過化學反應或者沒經過)氣體形成推力,還可以噴出去離子,這就是需要對惰性氣體進行電離,然後電場加速噴出,耗電量大了點推力低了點,但是比沖逆天的高啊!不同的產品會有些區別,但是基本原理大差不差。

這其實就是離子推進器:

盧西:從科幻走進現實的發動機——離子推進器?

zhuanlan.zhihu.com圖標

除了噴出去點啥東西控制姿態,還有個方法,就是用飛輪,其實這玩意通常和發動機協同作用。

航天器會在身上裝幾個大轉動慣量的飛輪,當航天器需要轉向的的時候,飛輪同向減速或者反方向加速,航天器就轉過來了。可是問題來了,如果一個航天器繞著地球轉,需要隨時指向地球,那就需要航天器不停地往一個方向轉,飛輪越來越快,轉速不能無限快啊,而且真空失重極寒環境下軸承也沒那麼好伺候。

當飛輪轉速積攢到一定程度,不能再快了,這時候姿態調整發動機點火,飛輪剎車,轉距平衡。飛輪速度下來了,發動機熄火,然後飛輪就又可以繼續工作了。這樣減少了發動機的點火次數,增加了每次點火時間,提高了工作效率。

工程師還是非常偉大的,先是征服了天空,實現了在虛無縹緲的空氣中自由活動,幾十年後又通過這一堆稀奇古怪的玩意征服了literally虛無縹緲的太空,我們好棒。

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運載火箭進入太空後是靠反作用力前進的嗎?

是,你往哪邊噴,就獲得哪邊(的反方向)的推力。

而且不用進入太空,從點火開始就是靠反作用力前進。

而且不用運載火箭,飛機也是要靠反作用力前進,不管你是螺旋槳還是噴氣發動機。

真正的宇宙飛船是否可以像飛機一樣上下左右改變方向?

實際上宇宙飛船才能「任意改變方向」,飛機反而不可以,任意改變方向會被氣流打臉。大氣層內飛行,有一個天然的(逆著)氣流的方向,你會受到由它構成的各種氣動力。特別是(對於靜安定的飛機)你會有回復力矩,維持你機頭指向大致朝向前方。而這在宇宙里完全不存在,沒有任何事情阻止你橫著飛、倒著飛。

實際上來講,由於現在技術水平的限制,人類並沒有做出推力、燃料儲備足以自由飛行的宇航器。自由航行是不可能的,這輩子都不可能的,只有沿著軌道飄,才能維持得了飛行的樣子。宇宙飛船上的發動機只能滿足變軌、調整姿態的需求而已。


1.是,也可以說不是,問題描述不夠明確。運載火箭是靠向後噴出推進劑產生的力加速的,而不是依靠這個力維持運動,這是中學課本的知識。

2.可以。不過飛船進行變軌和飛機進行機動的原理是不一樣的。


首先,飛機可以通過三種方式改變姿態:俯仰滾轉偏航。因此飛機的姿態可以用三個姿態角來描述:俯仰角、滾轉角和偏航角。

而相對於飛機的速度方向,又有兩個角度:迎角側滑角——迎角是指飛機機翼弦線和飛行速度方向的夾角,而側滑角指飛行速度方向和縱向對稱平面的夾角。

α為迎角,β為側滑角

飛機進行機動的本質是改變速度的方向和大小,中學課本告訴我們力可以使物體的速度改變,而航天器也是如此。

飛機的俯仰、滾轉和偏航是通過改變各個控制面的角度產生力矩來完成的:

水平尾翼控制飛機的俯仰

副翼控制飛機的滾轉

垂直尾翼控制飛機的偏航

姿態改變時,迎角和側滑角也會改變。飛機是一個擁有空氣動力外形的物體,迎角和側滑角的增加會讓飛機受到垂直於速度方向的力,因此飛機的方向被改變。


太空中是沒有空氣的,所以飛船顯然不能通過改變控制面板的角度來改變姿態角。同樣因為沒有空氣,改變迎角和側滑角也是無法獲得垂直於速度方向的力的。

航天器姿態控制的方法主要有兩個:

動量交換控制——在航天器的內部安裝幾個轉動方向不相同的輪子,由於動量守恆定律,讓輪子轉起來,航天器就會隨之轉起來。這一方式的優點在於不消耗推進劑,適用於長期運行的航天器,而缺點是力矩較小,並且不能用於改變航天器的軌道。這類裝置通常被稱作動量輪(Reaction Wheel)。

反作用力控制——在航天器上安裝許多方向各不相同的小型的火箭發動機,通過管理這些發動機的推力就可以改變航天器的姿態。這一方式的優點在於力矩大,姿態控制更為靈敏,並且可以小幅度改變航天器的軌道。缺點是會消耗寶貴的推進劑,不能長期使用。這類裝置通常被稱作反應控制系統(Reaction Control System,簡稱為RCS)。前面高贊回答包含了對各種RCS的詳盡描述,在此就不贅述了。

圖片來自《阿波羅》,湖南科學技術出版社,4-5頁

上圖中的「俯仰推力器」、「橫滾推力器」和「四向推力器」就是RCS。

在大氣中,由於氣動外形的限制,飛機的迎角和側滑角有一定的限制,超過這個限制會導致飛機失速。但是在沒有空氣的太空中,飛船的迎角和側滑角自然就不受限制了!因此,飛船改變速度方向的方式非常簡單粗暴:首先使用動量輪或RCS改變迎角和側滑角,然後使用發動機對著速度的法向推進就會使速度的方向改變。當然,RCS本身也可以改變航天器的速度,但由於RCS為了靈活通常使用比沖較低的推進劑,並且這些推進劑的攜帶量也非常有限,所以RCS通常不會用作變軌。


下面以兩個航天器的對接為例來說一說飛船的姿態控制和變軌:

假設一個軌道平面內有兩個航天器,分別是位於較低軌道上的航天器A和較高軌道上的航天器B,A想要改變自己的軌道並和B進行對接。

位於軌道1上的A為了到達B所在的軌道3,需要通過霍曼轉移進行變軌:

A使用動量輪或RCS改變迎角和側滑角,在軌道1的某一點處開啟發動機沿著速度方向推進,使自己的速度大小改變了Δv這麼多。由於速度改變,A不會繼續在軌道1上運行,而是進入了霍曼轉移軌道。為達到B所在的軌道3,霍曼轉移軌道需要和軌道3相交,當然,最理想的情況是軌道2和軌道3相切於軌道2的遠點。

第一次推進完成後,A再次使用動量輪或RCS改變姿態,並在到達軌道3的位置再次推進,速度改變了Δv,就進入了B所在的軌道3。

此時由於A的速度大小和方向已經和B相同,A和B是相對靜止的。此時A通過主發動機或RCS改變兩者的相對速度,使自己向B靠近,並在B的附近減速,這樣一次對接就完成了。


所以宇宙飛船不能像飛機一樣上下左右改變方向,星球大戰中X翼戰鬥機和TIE在太空中的那種空戰是不可能出現在現實中的。如果現實中的飛船在宇宙中進行戰鬥,那場面大概是非常滑稽的,不敢想像。

儘管電影這一幕的確是在大氣層中

前半句沒錯,運載火箭的確是靠發動機產生的高壓燃氣噴出產生的反作用力前進的。

後半句,總覺得不對勁。飛機不能隨心所欲的改變方向,而飛船和衛星理論上只要燃料夠多,發動機推力足夠大,當然可以上下左右改變方向。但是,飛船和衛星一般不會這麼干,因為飛船和衛星是有任務軌道的。而飛船和衛星的發動機的作用就是用來加速維持軌道、擺脫引力或減速返回地球。所以,總覺得有問題。


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