载人火箭会不会旋转?
简单来说有,但是我们很难感受到,原因在于我们使用的运载火箭在发射时,为了保持姿态的稳定,使用的是偏置式摇摆发动机技术,发动机在起飞的时候,以固定的角度进行摆动,向一定方向喷流,产生的力矩足以让火箭产生一个绕质心转动的角速度。
在运载火箭爬升的过程中,偏置式摇摆发动机控制火箭的姿态角保持不变,而空气阻力距与发动机偏置距所产生的力矩相平衡,保证了卫星的质心保持在一个平面内运动。随着高度的升高,大气密度急剧降低,空气阻力距快速减小,而发动机偏置距产生的力矩为定值,二者不相平衡之后,质心运动平面就会发生转动。所以火箭会在起飞和上升段会有一个旋转,这种运动称为螺线(或称圆锥运动)运动。
螺线运动本质上也是火箭在自旋,只不过由于偏置距的存在,会产生一个定常的角速度,所以可以近似看作是无进动的运动,可以保持卫星的质心在一个平面内运动。载人航天用火箭一般是多级火箭,例如空间站货运飞船的长征七号运载火箭和神舟载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭都是两级火箭。两级火箭在第一子级发动机关机后,需要等待火箭旋起到合适的角度,第二子级发动机才能点火继续入轨。我们国家目前的载人航天飞船轨道舱和返回舱没有稳定控制的系统,火箭在一级分离后的短暂滑行段,如果卫星的质心还在一个平面内运动,对于飞船内的航天员来说相当于在做圆周运动,这种圆周运动会持续到二级发动机点火给飞船产生足够的轴向加速度来产生主稳定力矩。
当然了,如果是上面这种圆周运动刚好发生在飞船返回地球遇到最大阻力的时候,在这种加速度的作用下可能会产生几倍于重力加速度的合力,这个时候的离心力是很大的,航天员在飞船内能感受到很大的力量,这种状态下可能会让航天员感到有些难受。于是当火箭在第一子级分离前后,火箭控制系统会给发动机一个指令使偏置距变为反向,产生一个与之前方向相反的质心运动平面转动,让质心运动快速转过九十度,之后保持卫星质心在一个水平面内运动,这样的话就能防止在第一子级火箭分离前后飞船内航天员会做圆周运动。
这种反向的偏置距会产生与质心运动前进方向相反的力,降低了质心运动的速度,同时需要火箭发动机燃烧更长的时间才能将飞船助推到相应的速度。目前运载火箭发射的速度限制在5~10度每秒,对于运载能力影响可以接受,但是这个速度很难有航天员有很直观的感受。