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在火箭升空後,會經過一段時間的飛行。在這個階段,火箭需要進行姿態調整和軌道修正等操作。火箭的發動機由伺服機構驅動,可以在一定範圍內轉動,通過改變噴射方向來調整火箭的姿態。同時,利用先進的導航系統和傳感器,實時監測火箭的位置和速度,根據目標軌道的要求進行軌道修正。火箭通過安裝小型側向發動機以及底部的調姿發動機來實現更高精度的姿態控制。在飛行過程中,還要考慮空氣帶來的氣動阻力影響,尤其是在大氣層內飛行時,火箭的氣動佈局和尾翼等部件也會起到穩定飛行的作用。
當火箭到達目標軌道後,需要進行分離操作。這個操作主要是將火箭的上面級與載荷分離,以保證載荷能夠準確到達目標位置。分離方式有多種,如彈射式分離、制動式分離和旋轉式多星分離等。以衛星發射爲例,衛星與其連接的末級運載火箭實施分離,其作用是使衛星單獨進入預定軌道。分離前由地面發出指令,使連接包帶的爆炸螺栓起爆,星箭解鎖系統解鎖,包帶鬆開,從而實現了星箭分離。在分離過程中,要確保分離的準確性和可靠性,避免出現冷焊等問題影響分離效果。當載荷到達目標位置後,需要進行再入操作。這個操作主要是將載荷從太空軌道返回地球大氣層,並進行減速操作,以保證載荷能夠安全降落到預定的位置。在再入過程中,飛行器會受到大氣的強烈摩擦,產生極高的溫度。爲了確保飛行器的安全,需要採取一系列措施,如設計特殊的熱防護系統等。在天地往返運輸系統中,再入大氣層着陸階段最爲複雜,要設計再入軌跡使得有效載荷最大、消耗能量最小、落地速度不能過大以及飛行器表面溫度不超過允許的極限值等,以確保再入飛行器無損的降落在預定着陸區之內。
姿態控制是確保火箭在飛行過程中保持穩定方向和角度的關鍵技術。常用的姿態傳感器包括慣性導航系統(INS)、衛星導航系統(GNSS)、激光陀螺儀等,它們能夠提供火箭姿態、角加速度、角速度等信息,具有高精度、低漂移、抗干擾等特點。姿態執行器則根據姿態傳感器反饋信號,控制火箭姿態,常見的有噴氣控制系統(RCS)、反應輪、控制矩陀螺(CMG),具有快速響應、高精度、大控制力矩等優點。姿態控制算法採用合適的控制算法,實現火箭姿態穩定,常用的算法包括 PID 控制、LQR 控制、滑模控制等,算法性能受模型精度、參數調節、計算速度等因素影響。此外,姿態估計實時估計火箭姿態信息,常用的方法包括卡爾曼濾波、粒子濾波、優化算法,估計精度受傳感器噪聲、模型誤差、算法複雜度等因素影響。故障檢測與容錯也是姿態控制的重要環節,檢測姿態控制系統中的故障,常用的方法包括殘差分析、旁路診斷、冗餘備份,故障容錯能力取決於系統冗餘度、恢復速度、抗干擾能力。
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引擎控制確保引擎在發射過程中提供適當的推力和節奏。現代火箭的引擎控制技術不斷發展,在一級跨聲速段及最大動壓段實施節流控制,主動減小發動機推力,降低飛行過程中的氣動載荷。在一級關機後,按時序與飛行高度分別實施飛回點火和再入點火,並在着陸前進行減速點火,採用發動機大範圍推力調節,實現高精度着陸控制。同時,一級關機點彈道傾角大於一次性運載火箭近地軌道任務一級關機點的彈道傾角,通過彈道設計使一級飛行段軌跡較爲陡峭,減小飛行航程,從而降低返回時所需的推進劑量,但這會使上升段彈道的重力損失加大,影響火箭的運載能力,需在垂直回收和飛行性能之間綜合平衡。
導航系統是火箭準確到達目標位置的關鍵。目前常用的導航方式有衛星導航和慣性導航等。天鬥等衛星導航系統在一個經度範圍內精度較好,但也存在被幹擾的風險。慣性導航精度有限(長時間精度),但好在難以被幹擾,可以隨時隨地工作。因此,關鍵技術裏面除了衛星導航、慣性器材製造等基礎研究外,還有一大部分基於信息融合技術的組合導航研究。發展高效可靠的導航系統編程是確保任務成功的關鍵所在,包括從地面站接收和分析定位信號,處理來自星際導航系統(如 GPS)的數據,以及與火箭其他系統的數據融合,如慣性導航系統。所以你們是不用管如何操作兩位小隊員你們懂了吧。
燃料是火箭發動機燃燒時提供能量的物質。常用的火箭燃料包括液氫、煤油、液氧、固體推進劑等。目前漢大陸主流可重複使用火箭採取的核心方案都是垂直起飛、垂直降落,火箭使用的燃料主要集中在液氧煤油和液氧甲烷兩種組合。人類的第一種運載火箭就是使用液氧煤油組合,液氧煤油這個組合比較成熟,從近期的角度來看,這個組合取得更多的突破可能性比較大。但從更長遠的時間尺度來看,液氧甲烷是一個更好的更理想的組合。甲烷只有一個碳原子,燃燒以後產生積碳的可能性更低,從回收以後的維護角度來說,甲烷確實是一個更好的選擇。