Jak systemy sterowania lotem stabilizują rakiety

Zbudowanie wydajnego silnika rakietowego to tylko część problemu. The rakieta musi także być stabilny w locie. Stabilna rakieta to taka, która leci w gładkim, jednolitym kierunku. Niestabilna rakieta leci nierówną ścieżką, czasami przewracając się lub zmieniając kierunek. Niestabilne rakiety są niebezpieczne, ponieważ nie można przewidzieć, dokąd pójdą - mogą nawet wywrócić się do góry nogami i nagle skierować się bezpośrednio do wyrzutni.

Cała materia ma wewnątrz punkt zwany środkiem masy lub „CM”, niezależnie od jego wielkości, masy lub kształtu. Środek masy to dokładne miejsce, w którym cała masa tego obiektu jest idealnie wyważona.

Możesz łatwo znaleźć środek masy obiektu - na przykład linijki - poprzez zrównoważenie go na palcu. Jeśli materiał użyty do wykonania linijki ma jednolitą grubość i gęstość, środek masy powinien znajdować się w połowie odległości między jednym końcem drążka a drugim. CM nie będzie już w środku, jeśli ciężki gwóźdź zostanie wbity w jeden z jego końców. Punkt równowagi byłby bliżej końca gwoździem.

CM jest ważny w locie rakietowym, ponieważ niestabilna rakieta wiruje wokół tego punktu. W rzeczywistości każdy obiekt w locie ma tendencję do upadku. Jeśli rzucisz kij, będzie on przewracał się od końca do końca. Rzuć piłkę i obraca się w locie. Akt wirowania lub upadku stabilizuje obiekt w locie. Frisbee pójdzie tam, gdzie chcesz, pod warunkiem, że rzucisz ją celowo. Spróbuj rzucić Frisbee bez obracania go, a przekonasz się, że leci na nieregularną ścieżkę i daleko mu do znaku, jeśli w ogóle możesz go rzucić.

Wirowanie lub przewracanie odbywa się wokół jednej lub więcej z trzech osi w locie: przechylenie, skok i odchylenie. Punkt przecięcia się wszystkich trzech osi to środek masy.

Osie pochylenia i odchylenia są najważniejsze w locie rakiety, ponieważ każdy ruch w jednym z tych dwóch kierunków może spowodować, że rakieta zboczy z kursu. Oś przechyłu jest najmniej ważna, ponieważ ruch wzdłuż tej osi nie wpłynie na tor lotu.

W rzeczywistości ruch kołysania pomoże ustabilizować rakietę w taki sam sposób, jak prawidłowo przekazana piłka nożna jest stabilizowana przez toczenie lub skręcanie podczas lotu. Chociaż źle podana piłka nożna może wciąż lecieć do celu, nawet jeśli przewróci się, a nie rzuci, rakieta nie. Zawodnik rzucający całkowicie pochłania energię reakcji na podanie w momencie podania piłki. W przypadku rakiet ciąg wytwarzany przez silnik jest nadal wytwarzany podczas lotu rakiety. Niestabilne ruchy wokół osi skoku i odchylenia spowodują, że rakieta opuści planowany kurs. Potrzebny jest system kontroli, aby zapobiec niestabilnym ruchom lub przynajmniej je zminimalizować.

Innym ważnym centrum wpływającym na lot rakiety jest jej środek nacisku lub „CP”. Środek ciśnienia istnieje tylko wtedy, gdy powietrze przepływa obok poruszającej się rakiety. To przepływające powietrze, ocierające się i pchające na zewnętrzną powierzchnię rakiety, może spowodować, że zacznie ona poruszać się wokół jednej ze swoich trzech osi.

Pomyśl o wiatrowskazie, przypominającym strzałę drążku zamontowanym na dachu i używanym do określania kierunku wiatru. Strzała jest przymocowana do pionowego pręta, który działa jak punkt obrotu. Strzałka jest wyważona, więc środek masy znajduje się dokładnie w punkcie obrotu. Kiedy wieje wiatr, strzała się obraca, a jej głowa wskazuje nadchodzący wiatr. Ogon strzałki wskazuje kierunek wiatru.

ZA wiatrowskaz strzała wskazuje na wiatr, ponieważ ogon strzały ma znacznie większą powierzchnię niż grot strzały. Przepływające powietrze nadaje ogonie większą siłę niż głowa, więc ogon jest odpychany. Na strzale jest punkt, w którym powierzchnia jest taka sama z jednej strony jak z drugiej. To miejsce nazywa się środkiem nacisku. Środek nacisku nie znajduje się w tym samym miejscu co środek masy. Gdyby tak było, wiatr nie sprzyjałby żadnemu końcowi strzały. Strzała nie wskazuje. Środek nacisku znajduje się między środkiem masy a końcem strzałki. Oznacza to, że koniec ogona ma większą powierzchnię niż koniec głowy.

Środek ciśnienia w rakiecie musi znajdować się w kierunku ogona. Środek masy musi znajdować się w kierunku nosa. Jeśli będą w tym samym miejscu lub bardzo blisko siebie, rakieta będzie niestabilna w locie. Spróbuje obracać się wokół środka masy w osi skoku i odchylenia, tworząc niebezpieczną sytuację.

Stabilizacja rakiety wymaga pewnej formy systemu kontroli. Systemy sterowania rakietami utrzymują stabilność rakiety w locie i sterują nią. Małe rakiety zwykle wymagają jedynie stabilizującego systemu sterowania. Duże rakiety, takie jak te, które wystrzeliwują satelity na orbitę, wymagają systemu, który nie tylko stabilizuje rakietę, ale także umożliwia jej zmianę kursu podczas lotu.

Sterowanie rakietami może być aktywne lub pasywne. Sterowanie pasywne to stałe urządzenia, które utrzymują rakiety stabilizowane przez ich obecność na zewnątrz rakiety. Aktywne elementy sterujące można przesuwać podczas lotu rakiety, aby ustabilizować i sterować jednostką.

Najprostszym ze wszystkich pasywnych elementów sterujących jest drążek. chiński strzały ognia były prostymi rakietami zamontowanymi na końcach drążków, które utrzymywały środek nacisku za środkiem masy. Mimo to strzały ognia były notorycznie niedokładne. Powietrze musiało przepłynąć obok rakiety, aby mógł zadziałać środek ciśnienia. Będąc nadal na ziemi i nieruchomym, strzała może podskoczyć i wystrzelić w niewłaściwy sposób.

Dokładność strzał ogniowych została znacznie poprawiona wiele lat później przez zamontowanie ich w korycie skierowanym we właściwym kierunku. Koryto prowadziło strzałę, dopóki nie poruszała się wystarczająco szybko, aby samodzielnie ustabilizować się.

Kolejna ważna poprawa w rocketrii nastąpiła, gdy drążki zostały zastąpione przez skupiska lekkich płetw zamontowanych wokół dolnego końca w pobliżu dyszy. Płetwy mogą być wykonane z lekkich materiałów i mieć opływowy kształt. Nadawały rakietom rzutowy wygląd. Duża powierzchnia żeber z łatwością utrzymywała środek nacisku za środkiem masy. Niektórzy eksperymentatorzy zginali nawet dolne końce płetw w sposób przypominający wiatraczek, aby promować szybkie wirowanie w locie. Dzięki tym „płetwom obrotowym” rakiety stają się znacznie bardziej stabilne, ale ta konstrukcja spowodowała większy opór i ograniczyła zasięg rakiety.

Waga rakiety jest krytycznym czynnikiem wpływającym na wydajność i zasięg. Oryginalna kula ognia wystrzeliła zbyt dużą masę własną do rakiety i dlatego znacznie ograniczyła jej zasięg. Wraz z początkiem nowoczesnej rakiety w XX wieku poszukiwano nowych sposobów poprawy stabilności rakiety, a jednocześnie zmniejszenia ogólnej masy rakiety. Odpowiedzią było opracowanie aktywnych kontroli.

Aktywne systemy kontroli obejmowały łopatki, ruchome płetwy, kanarki, dysze przegubowe, rakiety noniuszowe, wtrysk paliwa i rakiety sterujące położeniem.

Przechylne płetwy i kanarki są do siebie bardzo podobne - jedyną prawdziwą różnicą jest ich położenie na rakiecie. Kanapy są montowane z przodu, a uchylne płetwy z tyłu. Podczas lotu płetwy i kanapy przechylają się jak ster, aby odchylić przepływ powietrza i spowodować zmianę kursu rakiety. Czujniki ruchu w rakiecie wykrywają nieplanowane zmiany kierunkowe, a korekty można wprowadzać, lekko przechylając płetwy i kanarki. Zaletą tych dwóch urządzeń jest ich rozmiar i waga. Są mniejsze i lżejsze i powodują mniejszy opór niż duże płetwy.

Inne aktywne systemy kontroli mogą całkowicie wyeliminować płetwy i kanarki. Zmian kursu można dokonać w locie, przechylając kąt, pod jakim spaliny opuszczają silnik rakiety. Do zmiany kierunku wydechu można zastosować kilka technik. Łopatki są małymi płetwiastymi urządzeniami umieszczonymi wewnątrz wydechu silnika rakietowego. Przechylenie łopatek odchyla wydech, a reakcja rakiety reaguje poprzez skierowanie przeciwnie.

Inną metodą zmiany kierunku wydechu jest przegub dyszy. Dysza przegubowa to taka, która może kołysać się podczas przechodzenia przez nią spalin. Przechylając dyszę silnika we właściwym kierunku, rakieta reaguje zmieniając kurs.

Rakiety z noniuszem można również wykorzystać do zmiany kierunku. Są to małe rakiety zamontowane na zewnątrz dużego silnika. Strzelają w razie potrzeby, powodując pożądaną zmianę kursu.

W kosmosie jedynie obrócenie rakiety wzdłuż osi obrotu lub użycie aktywnych elementów sterujących obejmujących wydech silnika może ustabilizować rakietę lub zmienić jej kierunek. Płetwy i kanarki nie mają nad czym pracować bez powietrza. Filmy science fiction przedstawiające rakiety w kosmosie ze skrzydłami i płetwami długo opowiadają o fikcji, a mało o nauce. Najczęstsze rodzaje aktywnych formantów stosowanych w kosmosie to rakiety kontrolujące nastawienie. Małe skupiska silników są zamontowane w całym pojeździe. Wystrzeliwując odpowiednią kombinację tych małych rakiet, pojazd można obrócić w dowolnym kierunku. Gdy tylko zostaną odpowiednio wycelowane, główne silniki odpalają, wysyłając rakietę w nowym kierunku.

The masa rakiety jest kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na jej działanie. Może mieć znaczenie między udanym lotem a tarzaniem się na wyrzutni. Silnik rakietowy musi wytworzyć ciąg większy niż całkowita masa pojazdu, zanim rakieta będzie mogła opuścić ziemię. Rakieta z dużą ilością niepotrzebnej masy nie będzie tak skuteczna jak rakieta, która jest przycięta tylko do niezbędnego minimum. Całkowita masa pojazdu powinna być rozdzielona według tej ogólnej formuły idealnej rakiety:

• Dziewięćdziesiąt jeden procent całkowitej masy powinny stanowić paliwa.
• Trzy procent powinny stanowić zbiorniki, silniki i płetwy.
• Ładowność może stanowić 6 procent. Ładunkami mogą być satelity, astronauci lub statki kosmiczne, które będą podróżować na inne planety lub księżyce.

Przy określaniu skuteczności konstrukcji rakiety rakietnicy mówią w kategoriach ułamka masowego lub „MF”. Masa propelenty rakiety podzielone przez całkowitą masę rakiety dają ułamek masowy: MF = (masa propelentów) / (masa całkowita)

Idealnie ułamek masowy rakiety wynosi 0,91. Ktoś mógłby pomyśleć, że MF 1,0 jest idealny, ale wtedy cała rakieta byłaby niczym więcej niż kawałkiem paliwa, który zapaliłby się w kulę ognia. Im większy numer MF, tym mniejszy ładunek może przenosić rakieta. Im mniejszy numer MF, tym mniejszy staje się jego zasięg. Liczba MF wynosząca 0,91 stanowi dobrą równowagę między zdolnością do przenoszenia ładunku i zasięgiem.

Prom kosmiczny ma MF około 0,82. MF różni się między różnymi orbitami we flocie promu kosmicznego oraz z różną wagą ładunku dla każdej misji.

Rakiety, które są wystarczająco duże, aby przenosić statki kosmiczne w kosmos, mają poważne problemy z wagą. Potrzebna jest duża ilość paliwa, aby dotrzeć do przestrzeni i znaleźć właściwe prędkości orbit. Dlatego zbiorniki, silniki i związany z nimi sprzęt stają się większe. Do pewnego stopnia większe rakiety lecą dalej niż mniejsze rakiety, ale gdy stają się zbyt duże, ich struktury zbyt mocno je obciążają. Ułamek masowy zostaje zredukowany do niemożliwej liczby.

Rozwiązanie tego problemu można przypisać XVI-wiecznemu twórcy fajerwerków Johannowi Schmidlapowi. Przymocował małe rakiety na szczycie dużych. Kiedy duża rakieta została wyczerpana, obudowa rakiety została opuszczona, a pozostała rakieta wystrzeliła. Osiągnięto znacznie wyższe wysokości. Rakiety te używane przez Schmidlap były nazywane rakietami stepowymi.

Dzisiaj ta technika budowy rakiety nazywa się inscenizacją. Dzięki inscenizacji stało się możliwe nie tylko dotarcie w kosmos, ale także na Księżyc i inne planety. Prom kosmiczny postępuje zgodnie z zasadą rakiet krokowych, zrzucając swoje solidne wzmacniacze rakietowe i zbiornik zewnętrzny, gdy są wyczerpane paliwem.