为什么火箭需要滚动进入轨道？

1968 年 12 月 21 日早晨 7 点多，太阳升起，人们已经聚集在海滩，并停在 NASA 肯尼迪航天中心附近的小路上。阿波罗 8 号的机组人员已经系好安全带，进入指挥舱，随着阳光洒满整个场景，发射倒计时稳步推进。扬声器里的声音告诉人群，制导计算机正在对飞行方位角进行最后检查，然后在 T 减 8 秒时宣布点火程序已启动。当天早晨 7:51，土星五号从发射台上缓缓升空，速度随着高度的上升而加快。十四秒后，指挥官弗兰克·博尔曼呼叫“滚动和俯仰程序”。敏锐的观众会看到火箭绕着垂直轴滚动，并想知道为什么——火箭看起来是对称的，那么为什么它在俯仰进入轨道之前必须滚动呢？这些观察者会问自己一个非常有趣的问题。

要理解土星五号为何采用滚动计划，我们必须从它的旅程开始的地方开始：发射台。佛罗里达州 39 号发射台的建造方式是与北、南、东、西四个基本方向对齐。发射台下方的火焰沟指向南北，而支撑火箭直至其离开地球的脐带塔位于火箭的北面。宇航员仰卧在沙发上，头部朝向正东，这意味着指令舱的舱口也指向东方。

从这里，我们很容易理解这个问题的另一个关键部分，那就是土星五号的三个轴。和任何在空气中移动的机器一样，土星五号有三个可以旋转的轴：x、y 和 z 轴。x 轴是从上到下的垂直轴；这是滚动轴。y 轴是偏航轴，它从北向南穿过火箭的中部。z 轴垂直于 y 轴，从东向西。这是俯仰轴，也是我们接下来需要讨论的轴。

工程师们早就知道，将有效载荷送入轨道的最简单方法是将火箭垂直发射，然后向东倾斜。这利用了地球自转，飞行效率更高。但土星五号不是将阿波罗送入轨道，而是将阿波罗送上月球，而这正是发射变得有点棘手的地方。

地球轴线相对于黄道面（所有行星都在该平面上旋转）倾斜约 23 度。因此，绕地球赤道运行的航天器将定期经过黄道上方和下方。与该航天器一样，月球也绕地球运行，但不绕赤道运行。月球轨道平面相对于地球自转倾斜，具体倾斜度取决于月球在其轨道上的位置。

从绕地球赤道的轨道飞向月球是可能的，但改变两个天体之间的轨道倾角不仅需要大量燃料，而且还使得自由返回轨道（即航天器从绕月球轨道弹射回来的轨道）无法飞行。因此，NASA 选择在绕地球倾斜轨道上启动航天器月球任务，以简化飞往月球的飞行。而这正是它变得更加复杂和有趣的地方。

通过根据特定的月球着陆点计算任务轨迹，任务规划人员可以准确知道阿波罗飞船必须发射到地球周围的哪个轨道。这被称为飞行方位角，即火箭相对于地球真北方向飞行的方向，以进入所需轨道。

因此，发射方位角是根据基本方向计算的，火箭与发射台上的相同基本方向对齐。同时，NASA 希望土星五号采用简单的“向上和俯仰”路径进入轨道。因此，解决方案非常简单：滚动火箭，使其方向与发射方位角对齐，然后启动一个简单的俯仰程序。土星五号正是这么做的。

整个发射过程由位于土星五号 S-IVB 上面级上方的仪器单元内的制导平台引导。这个万向节式制导平台使用三个嵌套陀螺仪来保持预编程的方向，在本例中是发射方位角。陀螺仪快速旋转，抵抗轴的旋转，因此当火箭飞行时，陀螺仪会感受到任何试图旋转的力，伺服电机通过保持平台所需的方向来做出响应，从而使火箭保持其飞行方向。

根据发射时间和月球着陆点为每次特定任务计算的飞行方位角，在火箭切换到内部电源后不久被编入 ​​IU 的制导计算机中。这种对准是通过发射台正南约 689 英尺处的经纬仪进行的；它通过 IU 上的一个窗口照射光线，帮助它保持稳定。这产生了非常有趣的效果。在经纬仪将 IU 保持在发射方位角之前，它是免费的，所以如果你能站在发射台旁观察土星五号一整天，你会看到仪器单元似乎转了一圈，而实际上，火箭的其余部分随着地球转动。

在 T 减 17 秒时（即发射前 17 秒），制导平台从经纬仪上释放。通常呼叫的是“制导已内置”，但正式的呼叫是“制导参考释放”。从此时起，无论发生什么，IU 都会让土星五号保持其发射方位角。

发射后约一秒钟，土星五号进行了首次飞行机动。偏航程序是让火箭偏离发射塔的令人不安的倾斜动作，这一动作旨在保护火箭免受任何无法移开的摆臂或强风的影响。

发射后约 12 秒，开始第二次机动，即滚动程序。该程序要求火箭滚动以与制导计算机规定的发射方位角对齐，该方位角通常为 72 度。下一个机动是相对简单的俯仰程序。火箭缓慢地进入水平飞行路径，结合滚动，阿波罗飞船将处于前往月球的最佳位置。

翻滚是火箭的一个相当标准的操作，确切的翻滚取决于有效载荷的预期轨道。航天飞机在发射期间也经历了翻滚程序，由于它不像土星五号那样是对称柱，所以它的翻滚要明显得多。航天飞机在发射台上也是对齐的，其俯仰轴指向南北而不是东西，因此需要比土星五号更大的翻滚。

航天飞机利用阿波罗设施，像土星五号一样停在发射台上，其俯仰轴从东向西。发射后，它立即滚动到倒置位置，航天飞机顶部朝向地球，以便天线可以联系地面跟踪站；航天飞机底部的天线被外部油箱和固体火箭助推器挡住。从那里，航天飞机出于与土星五号相同的原因滚动，使其自身与特定轨道的飞行方位角对齐。

资料来源：感谢 David Woods 帮助我解决了理解土星五号滚动计划的尴尬！也感谢他在出版后纠正了一些尴尬的短语和拼写错误。购买他的书：阿波罗如何飞向月球；CollectSpace；NASA；aerospaceweb.org；阿波罗 8 号时间表；阿波罗 8 号记录。