建造一个高效的火箭发动机只是问题的一部分。火箭也必须在飞行中保持稳定。稳定的火箭是一种平稳、匀速飞行的火箭。不稳定的火箭沿着不稳定的路径飞行，有时会翻滚或改变方向。不稳定的火箭是危险的，因为不可能预测它们将去哪里——它们甚至可能颠倒过来，突然直接返回发射台。

什么使火箭稳定或不稳定？

所有物质的内部都有一个点，称为质心或“厘米”，无论其大小、质量或形状如何。质心是该物体所有质量完全平衡的准确点。

你可以很容易地找到一个物体的重心-比如一把尺子-通过在你的手指上平衡它。如果用于制作直尺的材料具有均匀的厚度和密度，则质心应位于杆的一端和另一端之间的中点。如果一根沉重的钉子被钉进它的一端，CM就不再在中间了。平衡点将更接近钉子的末端。

CM在火箭飞行中很重要，因为不稳定的火箭在这一点附近翻滚。事实上，飞行中的任何物体都会翻滚。如果你扔一根棍子，它会一头接一头地倒下。扔一个球，它会在飞行中旋转。旋转或翻滚的动作使飞行中的物体保持稳定。飞盘只有在你故意旋转的情况下才能飞到你想去的地方。试着在不旋转的情况下投掷飞盘，你会发现飞盘在一条不规则的路径上飞行，如果你能扔到飞盘上的话，飞盘就会离目标很远。

横摇、俯仰和偏航

旋转或翻滚发生在飞行中三个轴中的一个或多个：滚转、俯仰和偏航。这三个轴相交的点就是质心。

俯仰轴和偏航轴在火箭飞行中是最重要的，因为在这两个方向上的任何运动都可能导致火箭偏离轨道。滚转轴是最不重要的，因为沿该轴的运动不会影响飞行轨迹。

事实上，滚动运动将有助于稳定火箭，就像一个正确通过的足球在飞行中滚动或螺旋稳定火箭一样。虽然一个传球不好的足球即使是翻滚而不是翻滚，也可能会飞到它的目标，但火箭不会。足球传球的动作反应能量在球离开手的那一刻就完全被投手消耗掉了。使用火箭时，发动机的推力仍然在火箭飞行时产生。俯仰和偏航轴的不稳定运动将导致火箭离开计划的航线。需要一个控制系统来防止或至少最小化不稳定运动。

压力中心

影响火箭飞行的另一个重要中心是其压力中心或“CP”。只有当空气流过移动的火箭时，压力中心才存在。这种流动的空气，摩擦和推动火箭的外表面，可以使它开始围绕其三个轴之一移动。

想象一个风向标，一个安装在屋顶上的箭头状的棍子，用来告诉风向。箭头连接到作为枢轴点的垂直杆上。箭头是平衡的，因此重心正好位于枢轴点。当风吹来时，箭头旋转，箭头指向迎面而来的风。箭头的尾部指向下风方向。

风向标箭头指向风，因为箭头的尾部比箭头的表面积大得多。流动的空气对尾部的作用力大于头部，因此尾部被推开。箭头上有一个点，其中一侧的表面积与另一侧的表面积相同。这个点叫做压力中心。压力中心与质心不在同一位置。如果是的话，那么箭的两端都不会被风吹走。箭头指向不了。压力中心位于质量中心和箭头尾端之间。这意味着尾端的表面积比头端大。

火箭的压力中心必须朝向尾部。重心必须朝向机头。如果它们在同一个地方或彼此非常接近，火箭在飞行中会不稳定。它将试图围绕俯仰和偏航轴的质心旋转，产生危险情况。

控制系统

使火箭稳定需要某种形式的控制系统。火箭的控制系统使火箭在飞行中保持稳定并操纵它。小型火箭通常只需要一个稳定控制系统。大型火箭，如发射卫星进入轨道的火箭，需要一个系统，不仅能稳定火箭，还能使其在飞行中改变航向。

火箭上的控制装置可以是主动的，也可以是被动的。被动控制装置是一种固定装置，通过火箭外部的存在来保持火箭的稳定。当火箭飞行时，可以移动主动控制装置来稳定和操纵飞行器。

被动控制

所有被动控制中最简单的是一根棍子。中国的射箭是安装在棍棒末端的简单火箭，它将压力中心保持在质心后面。尽管如此，火箭还是出了名的不准确。在压力中心生效之前，空气必须流过火箭。当箭仍在地面上不动时，它可能会摇摇晃晃，朝错误的方向射出。

几年后，通过将射箭安装在瞄准正确方向的槽中，射箭的精确度得到了显著提高。槽引导箭头，直到它移动得足够快，能够自己稳定下来。

火箭技术的另一个重要改进是，在靠近喷管的下端安装了一组轻质的散热片，取代了火箭杆。翅片可以由轻质材料制成，形状流线型。他们给火箭一个飞镖般的外观。翅片的大表面积很容易将压力中心保持在质量中心之后。一些实验者甚至以风车的方式弯曲鳍的下端，以促进飞行中的快速旋转。有了这些“旋转鳍”，火箭变得更加稳定，但这种设计产生了更大的阻力，限制了火箭的射程。

主动控制

火箭的重量是性能和射程的关键因素。原来的火箭杆给火箭增加了太多的自重，因此大大限制了它的射程。随着20世纪现代火箭技术的开始，人们寻求新的方法来提高火箭的稳定性，同时减少火箭的总重量。答案是积极控制的发展。

主动控制系统包括叶片、活动翼、鸭翼、框架式喷嘴、游标火箭、燃油喷射和姿态控制火箭。

倾斜鳍和鸭翼在外观上非常相似——唯一真正的区别是它们在火箭上的位置。鸭翼安装在前端，而倾斜鳍安装在后端。在飞行中，尾翼和鸭翼像方向舵一样倾斜，以偏转气流，使火箭改变航向。火箭上的运动传感器检测到计划外的方向变化，可以通过稍微倾斜鳍和鸭翼来进行修正。这两种设备的优点在于尺寸和重量。它们比大鳍更小、更轻，产生的阻力更小。

其他主动控制系统可以完全消除鳍和鸭翼。在飞行中，可以通过改变废气离开火箭发动机的角度来改变航向。有几种技术可用于改变排气方向。叶片是放置在火箭发动机排气管内的小型鳍状装置。倾斜叶片会使废气偏转，而火箭的反应是指向相反的方向。

改变排气方向的另一种方法是固定喷嘴。框架式喷嘴是一种能够在废气通过时摆动的喷嘴。通过向正确的方向倾斜发动机喷嘴，火箭通过改变航向作出反应。

游标火箭也可以用来改变方向。这些是安装在大型发动机外部的小型火箭。它们在需要时开火，产生所需的航向变化。

在太空中，只有沿滚转轴旋转火箭或使用涉及发动机排气的主动控制才能稳定火箭或改变其方向。没有空气，鳍和鸭翼就没有任何东西可利用。在科幻电影中，有翼和鳍的火箭在太空中飞行，这是一部长篇小说，短篇科学。太空中最常见的主动控制是姿态控制火箭。小型发动机组安装在车辆周围。通过发射这些小型火箭的正确组合，车辆可以朝任何方向转动。一旦瞄准正确，主引擎就会开火，把火箭发射到新的方向。

火箭的质量

火箭的质量是影响其性能的另一个重要因素。它可以区分成功的飞行和在发射台上打滚。在火箭离开地面之前，火箭发动机必须产生大于飞行器总质量的推力。一个有着大量不必要质量的火箭将不会像一个被修剪成仅仅是最基本的火箭那样有效率。车辆的总质量应按照理想火箭的一般公式进行分配：

• 总质量的91%应该是推进剂。
• 百分之三应该是油箱、发动机和散热片。
• 有效载荷可占6%。有效载荷可能是卫星、宇航员或将前往其他行星或卫星的航天器。

在确定火箭设计的有效性时，火箭手用质量分数或“MF”来表示。火箭推进剂的质量除以火箭的总质量得到质量分数：MF=（推进剂质量）/（总质量）

理想情况下，火箭的质量分数为0.91。有人可能会认为MF为1.0是完美的，但是整个火箭只不过是一团推进剂，可以点燃成一个火球。MF号越大，火箭能携带的有效载荷越少。MF值越小，其范围越小。MF值为0.91是有效载荷承载能力和射程之间的良好平衡。

航天飞机的MF约为0.82。航天飞机编队中的不同轨道飞行器之间的MF不同，并且每个任务的有效载荷重量也不同。

大到足以将航天器送入太空的火箭存在严重的重量问题。他们需要大量的推进剂才能到达太空并找到合适的轨道速度。因此，油箱、发动机和相关硬件变得更大。在某种程度上，较大的火箭比较小的火箭飞得更远，但当它们变得太大时，它们的结构会使它们变得太重。质量分数减少到一个不可能的数字。

解决这个问题的办法可以归功于16世纪的烟花制造商约翰·施密德拉普。他把小火箭连在大火箭的顶部。当大型火箭耗尽时，火箭外壳落在后面，剩下的火箭发射。达到了更高的高度。施密德拉普使用的这些火箭被称为阶梯火箭。

今天，这种制造火箭的技术被称为登台。多亏了登台，它不仅有可能到达外层空间，也有可能到达月球和其他行星。航天飞机遵循阶梯式火箭原理，在推进剂耗尽时放下固体火箭助推器和外部油箱。