Cum sistemele de control al zborului stabilizează rachetele

Construirea unui motor rachetă eficient este doar o parte a problemei. rachetă trebuie să fie, de asemenea, stabil în zbor. O rachetă stabilă este cea care zboară într-o direcție lină, uniformă. O rachetă instabilă zboară de-a lungul unei căi neplăcute, uneori căzând sau schimbând direcția. Rachete instabile sunt periculoase, deoarece nu este posibil să prezicem unde vor merge - pot chiar să se întoarcă cu capul în jos și să se îndrepte brusc direct înapoi pe suportul de lansare.

Toată materia are un punct în interior numit centru de masă sau „CM”, indiferent de mărimea, masa sau forma sa. Centrul de masă este locul exact unde toată masa acelui obiect este perfect echilibrată.

Puteți găsi cu ușurință centrul de masă al unui obiect - cum ar fi o riglă - echilibrându-l pe deget. Dacă materialul folosit pentru confecționarea riglei este de grosime și densitate uniformă, centrul de masă ar trebui să fie la jumătatea distanței dintre un capăt al bățului și celălalt. CM nu ar mai fi la mijloc dacă o unghie grea ar fi fost condusă într-unul din capetele sale. Punctul de echilibru ar fi mai aproape de sfârșitul cu unghia.

CM este importantă în zborul rachetelor, deoarece o rachetă instabilă se declanșează în jurul acestui punct. De fapt, orice obiect din zbor are tendința de a se prăbuși. Dacă aruncați un băț, acesta se va lăsa peste capăt. Arunca o minge și se învârte în zbor. Actul de a învârti sau de a se roti stabilizează un obiect în zbor. Un Frisbee va merge acolo unde doriți să meargă numai dacă îl aruncați cu un rotire deliberat. Încercați să aruncați un Frisbee fără să-l învârtiți și veți descoperi că zboară pe o cale neplăcută și se încadrează departe de amprenta sa, chiar dacă o puteți arunca.

Învârtirea sau zbuciumul are loc în jurul uneia sau a mai multor trei axe în zbor: rola, pasul și scobitoarea. Punctul în care toate aceste axe se intersectează este centrul de masă.

Axa de pasare și de scurgere sunt cele mai importante în zborul rachetelor, deoarece orice mișcare în oricare dintre aceste două direcții poate determina racheta să plece. Axa de rulare este cea mai puțin importantă, deoarece mișcarea de-a lungul acestei axe nu va afecta calea de zbor.

De fapt, o mișcare de rulare va ajuta la stabilizarea rachetei în același mod în care un fotbal trecut corect este stabilizat prin rulare sau spiralare în zbor. Deși un fotbal slab trecut poate să zboare în amprenta sa, chiar dacă se aruncă mai degrabă decât pe role, o rachetă nu o va face. Energia de acțiune-reacție a unei pase de fotbal este complet cheltuită de aruncător în momentul în care mingea părăsește mâna. Cu rachetele, tracțiunea de la motor este încă produsă în timp ce racheta este în zbor. Mișcările instabile cu privire la pasul și axele de prindere vor determina racheta să părăsească cursul planificat. Este necesar un sistem de control pentru prevenirea sau cel puțin minimizarea mișcărilor instabile.

Un alt centru important care afectează zborul unei rachete este centrul de presiune sau „CP”. Centrul de presiune există numai atunci când aerul curge prin racheta în mișcare. Acest aer care curge, se freacă și se împinge pe suprafața exterioară a rachetei, poate determina ca acesta să înceapă să se miște în jurul uneia dintre cele trei axe ale acesteia.

Gândiți-vă la o paletă meteorologică, un băț în formă de săgeată montat pe un acoperiș și folosit pentru a spune direcția vântului. Săgeata este atașată de o tijă verticală care acționează ca un punct de pivot. Săgeata este echilibrată, astfel încât centrul de masă este chiar în punctul de pivot. Când bate vântul, săgeata se transformă și capul săgeții indică vântul care vine. Coada săgeții indică direcția în jos.

A bolta meteo săgeata indică vântul, deoarece coada săgeții are o suprafață mult mai mare decât capul săgeții. Aerul care curge conferă cozii o forță mai mare decât capul, astfel încât coada este împinsă departe. Există un punct pe săgeată unde suprafața este aceeași pe o parte ca pe cealaltă. Acest punct este numit centrul presiunii. Centrul de presiune nu se află în același loc cu centrul de masă. Dacă ar fi fost, atunci niciun capăt al săgeții nu ar fi favorizat de vânt. Săgeata nu ar indica. Centrul de presiune este cuprins între centrul de masă și capătul cozii săgeții. Aceasta înseamnă că capătul cozii are mai multă suprafață decât capătul.

Centrul de presiune dintr-o rachetă trebuie să fie amplasat spre coadă. Centrul de masă trebuie să fie situat spre nas. Dacă se află în același loc sau foarte aproape unul de celălalt, racheta va fi instabilă în zbor. Se va încerca să se rotească în jurul centrului de masă în ax și la axele de tăiere, producând o situație periculoasă.

Realizarea unei rachete stabile necesită o formă de sistem de control. Sistemele de control pentru rachete mențin o rachetă stabilă în zbor și o direcționează. Rachete mici necesită de obicei doar un sistem de control stabilizator. Rachete mari, cum ar fi cele care lansează sateliții pe orbită, necesită un sistem care nu numai că stabilizează racheta, dar îi permite să își schimbe cursul în timpul zborului.

Controalele pe rachete pot fi active sau pasive. Comenzile pasive sunt dispozitive fixe care mențin rachetele stabilizate prin prezența lor chiar pe exteriorul rachetei. Controalele active pot fi mutate în timp ce racheta este în zbor pentru a se stabiliza și a conduce ambarcațiunea.

Cel mai simplu dintre toate controalele pasive este un stick. chinez săgeți de foc erau rachete simple, montate pe capetele tijelor care păstrau centrul presiunii în spatele centrului de masă. Săgețile de foc erau în mod notoriu inexacte, în ciuda acestui lucru. Aerul trebuia să curgă pe lângă rachetă înainte ca centrul de presiune să intre în vigoare. În timp ce este încă pe pământ și imobil, săgeata s-ar putea prăbuși și trage în mod greșit.

Precizia săgeților de foc a fost îmbunătățită considerabil ani mai târziu, prin montarea lor într-un jgheab orientat în direcția corectă. Jgheabul ghidează săgeata până când se mișca suficient de repede pentru a deveni stabil singur.

O altă îmbunătățire importantă a rachetelor a apărut atunci când bastoanele au fost înlocuite cu ciorchini de aripioare ușoare, montate în jurul capătului inferior, lângă duză. Aripioarele ar putea fi realizate din materiale ușoare și ar putea fi simplificate în formă. Au dat rachetelor un aspect asemănător unei săgeți. Suprafața mare a înotătoarelor a ținut cu ușurință centrul de presiune în spatele centrului de masă. Unii experimentatori au îndoit chiar și vârfurile inferioare ale înotătoarelor, într-o manieră rotativă, pentru a promova rotirea rapidă în zbor. Cu aceste „aripioare învârtite”, rachetele devin mult mai stabile, însă acest design a produs mai mult drag și a limitat gama rachetei.

Greutatea rachetei este un factor critic în ceea ce privește performanța și raza de acțiune. Bastonul săgeată de foc original a adăugat o greutate moartă prea mare rachetei și, prin urmare, și-a limitat considerabil gama. Odată cu începutul rachetelor moderne în secolul XX, au fost căutate noi modalități de a îmbunătăți stabilitatea rachetelor și de a reduce în același timp greutatea totală a rachetelor. Răspunsul a fost dezvoltarea de controale active.

Sistemele de control active includ camioane, aripioare mobile, canare, duze cu acoperiș, rachete vernier, injecție de combustibil și rachete pentru controlul atitudinii.

Aripioarele și canelele înclinate sunt destul de asemănătoare între ele - singura diferență reală este amplasarea lor pe rachetă. Canardurile sunt montate pe capătul frontal, în timp ce aripioarele înclinate sunt în spate. În zbor, aripioarele și canistrele se înclină ca niște cârpe pentru a devia fluxul de aer și determină schimbarea cursei. Senzorii de mișcare de pe rachetă detectează modificări de direcție neplanificate, iar corecțiile pot fi făcute prin înclinarea ușoară aripioarelor și a canoanelor. Avantajul acestor două dispozitive este dimensiunea și greutatea lor. Sunt mai mici și mai ușoare și produc mai puțin tracțiune decât înotătoarele mari.

Alte sisteme de control active pot elimina complet aripioarele și canistrele. Schimbările de curs pot fi efectuate în zbor, înclinând unghiul în care gazul de evacuare iese din motorul rachetei. Mai multe tehnici pot fi utilizate pentru schimbarea direcției de evacuare. Vanele sunt mici dispozitive similare plasate în interiorul evacuării motorului rachetă. Înclinarea paletei degajă evacuarea, iar prin acțiune, racheta răspunde indicând sensul invers.

O altă metodă pentru schimbarea direcției de eșapament este gimbalul duzei. O duză gimbalată este una care este capabilă să se balanseze în timp ce gazele de evacuare trec prin ea. Înclinând duza motorului în direcția corectă, racheta răspunde schimbând cursul.

Rachete Vernier pot fi, de asemenea, utilizate pentru a schimba direcția. Este vorba despre rachete mici montate pe exteriorul motorului mare. Se aprind când este nevoie, producând schimbarea dorită a cursului.

În spațiu, doar rotirea rachetei de-a lungul axei ruloului sau utilizarea unor comenzi active care implică evacuarea motorului poate stabiliza racheta sau schimba direcția acesteia. Aripioarele și canarele nu au ce să funcționeze fără aer. Filmele de ficțiune care prezintă rachete în spațiu cu aripi și aripioare sunt lungi pe ficțiune și scurte pe știință. Cele mai frecvente tipuri de controale active utilizate în spațiu sunt rachetele de control a atitudinii. Multe grupuri de motoare sunt montate în jurul vehiculului. Tragând combinația potrivită a acestor rachete mici, vehiculul poate fi rotit în orice direcție. De îndată ce sunt orientate corespunzător, motoarele principale se aprind, trimițând racheta în noua direcție.

masa a unei rachete este un alt factor important care afectează performanțele sale. Poate face diferența între un zbor reușit și scurgerea pe suprafața de lansare. Motorul rachetă trebuie să producă o tracțiune mai mare decât masa totală a vehiculului înainte ca racheta să poată părăsi pământul. O rachetă cu multă masă inutilă nu va fi la fel de eficientă ca una care este tăiată doar pentru esențialele goale. Masa totală a vehiculului trebuie distribuită urmând această formulă generală pentru o rachetă ideală:

• Nouăzeci și unu la sută din masa totală ar trebui să fie propulsori.
• Trei procente ar trebui să fie rezervoare, motoare și aripioare.
• Sarcina utilă poate reprezenta 6%. Sarcinile utile pot fi sateliți, astronauți sau nave spațiale care vor călători pe alte planete sau luni.

Pentru a determina eficacitatea unei rachete, rocketeers vorbește în termeni de fracție de masă sau „MF”. Masa Propulsorii rachetei împărțiți la masa totală a rachetei dau fracție de masă: MF = (Masa de propulsori) / (Masa totală)

În mod ideal, fracția de masă a unei rachete este de 0,91. S-ar putea crede că un MF de 1.0 este perfect, dar atunci întreaga rachetă nu va fi altceva decât o grămadă de propulsori care s-ar aprinde într-o minge de foc. Cu cât este mai mare numărul MF, cu atât mai puțină sarcină utilă poate transporta racheta. Cu cât numărul MF este mai mic, cu atât intervalul său devine mai mic. Un număr MF de 0,91 este un echilibru bun între capacitatea de transport a sarcinii utile și intervalul.

Naveta spațială are un MF de aproximativ 0,82. MF variază între diferiții orbiteri din flota navei spațiale și cu greutățile diferite ale sarcinii utile ale fiecărei misiuni.

Rachete care sunt suficient de mari pentru a transporta nave spațiale în probleme de greutate. Este nevoie de o mulțime de propulsor pentru a ajunge în spațiu și pentru a găsi viteze orbitale adecvate. Prin urmare, rezervoarele, motoarele și hardware-ul asociat devin mai mari. Până la un moment dat, rachetele mai mari zboară mai departe decât rachetele mai mici, dar când devin prea mari, structurile lor le cântăresc prea mult. Fracția de masă este redusă la un număr imposibil.

O soluție la această problemă poate fi creditată fabricantului de artificii din secolul al XVI-lea, Johann Schmidlap. A atașat rachete mici pe vârful celor mari. Când s-a epuizat racheta mare, carcasa rachetei a fost aruncată în urmă și racheta rămasă a tras. S-au atins altitudini mult mai mari. Aceste rachete folosite de Schmidlap au fost numite rachete pas.

Astăzi, această tehnică de construire a unei rachete se numește punerea în scenă. Datorită punerii în scenă, a devenit posibilă nu numai atingerea spațiului exterior, ci și luna și alte planete. Naveta spațială respectă principiul rachetelor pasuale, renunțând la impulsurile sale de rachetă solide și rezervorul extern atunci când sunt epuizate de combustibili.