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。

太空梭长得像个飞机似的,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太空梭。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,大的是太空梭进行变轨时候用的。

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:

火箭固态发动机的工作原理是怎样的??

www.zhihu.com图标火箭发动机的全流量分级燃烧循环什么缺点都没有吗??

www.zhihu.com图标

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。

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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:

卢西:从科幻走进现实的发动机——离子推进器?

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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,如果一个航天器绕著地球转,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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你的问题玩玩《坎巴拉太空计划》就可以解决大部分


运载火箭进入太空后是靠反作用力前进的吗?

是,你往哪边喷,就获得哪边(的反方向)的推力。

而且不用进入太空,从点火开始就是靠反作用力前进。

而且不用运载火箭,飞机也是要靠反作用力前进,不管你是螺旋桨还是喷气发动机。

真正的宇宙飞船是否可以像飞机一样上下左右改变方向?

实际上宇宙飞船才能「任意改变方向」,飞机反而不可以,任意改变方向会被气流打脸。大气层内飞行,有一个天然的(逆著)气流的方向,你会受到由它构成的各种气动力。特别是(对于静安定的飞机)你会有回复力矩,维持你机头指向大致朝向前方。而这在宇宙里完全不存在,没有任何事情阻止你横著飞、倒著飞。

实际上来讲,由于现在技术水平的限制,人类并没有做出推力、燃料储备足以自由飞行的宇航器。自由航行是不可能的,这辈子都不可能的,只有沿著轨道飘,才能维持得了飞行的样子。宇宙飞船上的发动机只能满足变轨、调整姿态的需求而已。


1.是,也可以说不是,问题描述不够明确。运载火箭是靠向后喷出推进剂产生的力加速的,而不是依靠这个力维持运动,这是中学课本的知识。

2.可以。不过飞船进行变轨和飞机进行机动的原理是不一样的。


首先,飞机可以通过三种方式改变姿态:俯仰滚转偏航。因此飞机的姿态可以用三个姿态角来描述:俯仰角、滚转角和偏航角。

而相对于飞机的速度方向,又有两个角度:迎角侧滑角——迎角是指飞机机翼弦线和飞行速度方向的夹角,而侧滑角指飞行速度方向和纵向对称平面的夹角。

α为迎角,β为侧滑角

飞机进行机动的本质是改变速度的方向和大小,中学课本告诉我们力可以使物体的速度改变,而航天器也是如此。

飞机的俯仰、滚转和偏航是通过改变各个控制面的角度产生力矩来完成的:

水平尾翼控制飞机的俯仰

副翼控制飞机的滚转

垂直尾翼控制飞机的偏航

姿态改变时,迎角和侧滑角也会改变。飞机是一个拥有空气动力外形的物体,迎角和侧滑角的增加会让飞机受到垂直于速度方向的力,因此飞机的方向被改变。


太空中是没有空气的,所以飞船显然不能通过改变控制面板的角度来改变姿态角。同样因为没有空气,改变迎角和侧滑角也是无法获得垂直于速度方向的力的。

航天器姿态控制的方法主要有两个:

动量交换控制——在航天器的内部安装几个转动方向不相同的轮子,由于动量守恒定律,让轮子转起来,航天器就会随之转起来。这一方式的优点在于不消耗推进剂,适用于长期运行的航天器,而缺点是力矩较小,并且不能用于改变航天器的轨道。这类装置通常被称作动量轮(Reaction Wheel)。

反作用力控制——在航天器上安装许多方向各不相同的小型的火箭发动机,通过管理这些发动机的推力就可以改变航天器的姿态。这一方式的优点在于力矩大,姿态控制更为灵敏,并且可以小幅度改变航天器的轨道。缺点是会消耗宝贵的推进剂,不能长期使用。这类装置通常被称作反应控制系统(Reaction Control System,简称为RCS)。前面高赞回答包含了对各种RCS的详尽描述,在此就不赘述了。

图片来自《阿波罗》,湖南科学技术出版社,4-5页

上图中的「俯仰推力器」、「横滚推力器」和「四向推力器」就是RCS。

在大气中,由于气动外形的限制,飞机的迎角和侧滑角有一定的限制,超过这个限制会导致飞机失速。但是在没有空气的太空中,飞船的迎角和侧滑角自然就不受限制了!因此,飞船改变速度方向的方式非常简单粗暴:首先使用动量轮或RCS改变迎角和侧滑角,然后使用发动机对著速度的法向推进就会使速度的方向改变。当然,RCS本身也可以改变航天器的速度,但由于RCS为了灵活通常使用比冲较低的推进剂,并且这些推进剂的携带量也非常有限,所以RCS通常不会用作变轨。


下面以两个航天器的对接为例来说一说飞船的姿态控制和变轨:

假设一个轨道平面内有两个航天器,分别是位于较低轨道上的航天器A和较高轨道上的航天器B,A想要改变自己的轨道并和B进行对接。

位于轨道1上的A为了到达B所在的轨道3,需要通过霍曼转移进行变轨:

A使用动量轮或RCS改变迎角和侧滑角,在轨道1的某一点处开启发动机沿著速度方向推进,使自己的速度大小改变了Δv这么多。由于速度改变,A不会继续在轨道1上运行,而是进入了霍曼转移轨道。为达到B所在的轨道3,霍曼转移轨道需要和轨道3相交,当然,最理想的情况是轨道2和轨道3相切于轨道2的远点。

第一次推进完成后,A再次使用动量轮或RCS改变姿态,并在到达轨道3的位置再次推进,速度改变了Δv,就进入了B所在的轨道3。

此时由于A的速度大小和方向已经和B相同,A和B是相对静止的。此时A通过主发动机或RCS改变两者的相对速度,使自己向B靠近,并在B的附近减速,这样一次对接就完成了。


所以宇宙飞船不能像飞机一样上下左右改变方向,星球大战中X翼战斗机和TIE在太空中的那种空战是不可能出现在现实中的。如果现实中的飞船在宇宙中进行战斗,那场面大概是非常滑稽的,不敢想像。

尽管电影这一幕的确是在大气层中

前半句没错,运载火箭的确是靠发动机产生的高压燃气喷出产生的反作用力前进的。

后半句,总觉得不对劲。飞机不能随心所欲的改变方向,而飞船和卫星理论上只要燃料够多,发动机推力足够大,当然可以上下左右改变方向。但是,飞船和卫星一般不会这么干,因为飞船和卫星是有任务轨道的。而飞船和卫星的发动机的作用就是用来加速维持轨道、摆脱引力或减速返回地球。所以,总觉得有问题。


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