Kako sistemi za nadzor letenja stabilizirajo rakete

Izdelava učinkovitega raketnega motorja je le del težave. The raketa mora biti tudi stabilen med letom. Stabilna raketa je tista, ki leti v gladki, enakomerni smeri. Nestabilna raketa leti po napačni poti, včasih se spotika ali spreminja smer. Nestabilne rakete so nevarne, saj ni mogoče predvideti, kam bodo šli - morda se celo obrnejo na glavo in se nenadoma usmerijo nazaj na izstrelitveno ploščo.

Vsa materija ima točko v notranjosti, imenovano središče mase ali "CM", ne glede na njeno velikost, maso ali obliko. Središče mase je točno mesto, kjer je vsa masa tega predmeta popolnoma uravnotežena.

Središče mase predmeta - na primer ravnila, preprosto najdete tako, da ga uravnotežite na prstu. Če je material, uporabljen za izdelavo ravnila, enakomerne debeline in gostote, mora biti sredina mase na polovici točke med enim koncem palice in drugim. CM ne bi bil več na sredini, če bi bil težki žebelj zataknjen na enega od njegovih koncev. Točka ravnotežja bi bila bližje koncu z nohtom.

CM je pomemben pri letu raket, ker okoli te točke nestabilna raketa pada. Pravzaprav se vsak predmet med letom ponavadi zruši. Če vržete palico, se bo čez konec prevrnila. Vrzi žogo in se vrti v letu. Dejanje vrtenja ali prevračanja stabilizira predmet v letu. Frizbi bo šel tja, kamor hočeš, le, če ga vržeš z namernim vrtenjem. Poskusite metati frizbi, ne da bi ga zavrteli in ugotovili boste, da leti po napačni poti in je daleč od svojega znaka, če ga sploh lahko vržete.

Vrtenje ali previjanje se odvija med eno ali več od treh osi v letu: kotaljenje, nagibanje in zehanje. Točka, kjer se sekajo vse tri omenjene osi, je središče mase.

Ogibna in nagibna os sta najpomembnejša pri letu rakete, ker lahko vsako premikanje v kateri koli od teh dveh smeri rakete spušča s tečaja. Kolesna os je najmanj pomembna, ker gibanje po tej osi ne bo vplivalo na pot leta.

Pravzaprav bo kotalno gibanje pomagalo stabilizirati raketo na enak način, ko se pravilno položeni nogomet stabilizira z valjanjem ali spiralami med letom. Čeprav lahko slabo odigrani nogomet še vedno leti na svoje znamenje, tudi če se raje kot vrti, raketa ne bo. Akcijsko-reakcijska energija nogometnega pasu se v celoti porabi s strani metalca v trenutku, ko mu žoga zapusti roko. Z raketami še vedno nastaja potis motorja, medtem ko raketa leti. Nestabilni premiki osi nagiba in nagiba bodo raketo zapustili načrtovano smer. Za preprečevanje ali vsaj zmanjšanje nestabilnih gibanj je potreben nadzorni sistem.

Drugo pomembno središče, ki vpliva na raketni let, je njegovo tlačno središče ali "CP". Center pritiska obstaja le, ko zrak teče mimo premikajoče se rakete. Zaradi toka zraka, drgnjenja in pritiska na zunanjo površino rakete, se lahko začne gibati okoli ene od treh osi.

Pomislite na vremensko lopatico, puščico v obliki puščice, nameščeno na strehi in jo uporabljajte za označevanje smeri vetra. Puščica je pritrjena na navpično palico, ki deluje kot vrtilna točka. Puščica je uravnotežena, tako da je središče mase točno na mestu vrtenja. Ko piha veter, se puščica obrne in glava puščice kaže v prihajajoči veter. Rep puščice kaže v smeri navzdol.

A vremenske lopatice puščica kaže v veter, ker ima rep puščice veliko večjo površino kot puščica. Tekoč zrak daje večjo silo repu kot glava, tako da se rep potisne stran. Na puščici je točka, kjer je površina na eni strani enaka kot na drugi. Ta spot se imenuje središče pritiska. Središče tlaka ni na istem mestu kot središče mase. Če bi bilo, potem ne bi noben konec puščice favoriziral veter. Puščica ne bi kazala. Središče pritiska je med središčem mase in zadnjim koncem puščice. To pomeni, da ima repni konec večjo površino kot konec glave.

Središče pritiska v raketi mora biti nameščeno proti repu. Središče mase mora biti nameščeno proti nosu. Če sta na istem mestu ali zelo blizu drug drugega, bo raketa nestabilna med letom. Skušalo se bo vrteti okoli središča mase v osi nagiba in nihanja, kar bo povzročilo nevarno situacijo.

Da bi bila raketa stabilna, je potrebna neka oblika nadzornega sistema. Nadzorni sistemi raket ohranjajo raketo stabilno med letom in jo usmerjajo. Majhne rakete običajno potrebujejo le stabilizacijski nadzorni sistem. Za velike rakete, kot so tiste, ki izstreljujejo satelite v orbito, je potreben sistem, ki rakete ne samo stabilizira, ampak tudi omogoča spreminjanje smeri med letom.

Kontrole nad raketami so lahko aktivne ali pasivne. Pasivne kontrole so fiksne naprave, ki rakete stabilizirajo zaradi same prisotnosti na zunanjosti rakete. Med stabilizacijo in usmerjanjem plovila se lahko rakete premikajo med letom rakete.

Najenostavnejši od vseh pasivnih kontrol je palica. Kitajci ognjene puščice so bile preproste rakete, nameščene na koncih palic, ki so ohranjale središče pritiska za središčem mase. Kljub temu so bile strelne puščice očitno nenatančne. Zrak je moral priti skozi raketo, preden je lahko stopilo v središče pritiska. Medtem ko je še vedno na tleh in nepremičen, se lahko puščica napačno zasuče in izstreli.

Natančnost strelnih puščic je bila mnogo let pozneje izboljšana z namestitvijo v korito, usmerjeno v pravilno smer. Korito je vodilo puščico, dokler se ni dovolj hitro premikala, da je postala stabilna sama.

Drugo pomembno izboljšanje raketarstva je prišlo, ko so palice zamenjali grozdi lahkih plavuti, nameščenih okoli spodnjega konca v bližini šobe. Plavuti so lahko narejeni iz lahkih materialov in racionalizirani v obliki. Raketi so dali pikado videz. Velika površina plavuti je zlahka obdržala središče tlaka za središčem mase. Nekateri eksperimentatorji so spodnje konice plavuti celo upognili, da bi spodbudili hitro vrtenje med letom. S temi "vrtljivimi plavuti" postanejo rakete veliko bolj stabilne, vendar je ta zasnova ustvarila več vleke in omejila doseg rakete.

Teža rakete je kritični dejavnik zmogljivosti in dosega. Prvotna strelna puščica je raketi dodala preveč mrtve teže in je zato močno omejila njen doseg. Z začetkom moderne raketarstva v 20. stoletju so iskali nove načine za izboljšanje raketne stabilnosti in hkrati zmanjšanje celotne teže raket. Odgovor je bil razvoj aktivnih kontrol.

Aktivni krmilni sistemi so vključevali krilce, premične plavuti, kanare, šobaste šobe, rakete, vbrizgavanje goriva in rakete za nadzor položaja.

Nagibne plavuti in kanari so si po videzu precej podobni - edina resnična razlika je njihova lokacija na raketi. Kanardi so nameščeni na sprednjem koncu, medtem ko so navojne plavuti zadaj. V letu se plavuti in kanari nagibajo kot krmila, da odbijejo zračni tok in povzročijo, da raketa spremeni smer. Senzorji gibanja na raketi zaznajo nenačrtovane smerne spremembe, popravke pa lahko opravite z rahlim nagibanjem plavuti in kanarjev. Prednost teh dveh naprav je njihova velikost in teža. Manjši so in lažji ter ustvarjajo manj vleka kot velike plavuti.

Drugi aktivni nadzorni sistemi lahko popolnoma odstranijo plavuti in kanale. Spremembe smeri je mogoče opraviti med letom z nagibanjem kota, pod katerim izpušni plini zapustijo raketni motor. Za spreminjanje smeri izpušnih plinov lahko uporabimo več tehnik. Lopatice so majhne podobne naprave, nameščene znotraj izpušnih plinov raketnega motorja. Nagibanje lopute odbije izpušne cevi, raketa pa se odzove na nasprotno smer.

Druga metoda za spreminjanje smeri izpušnih plinov je premikanje šobe. Šoba z nagibom je tista, ki se lahko ziblje, medtem ko izpušni plini prehajajo skozi njo. Z nagibanjem šobe motorja v pravilno smer se raketa odzove s spreminjanjem smeri.

Za spreminjanje smeri se lahko uporabljajo tudi rakete Vernier. To so majhne rakete, nameščene na zunanji strani velikega motorja. Po potrebi prižgejo, kar povzroči želeno spremembo smeri.

V vesolju lahko samo vrtenje rakete vzdolž osi valja ali uporaba aktivnih krmil, ki vključujejo izpuh motorja, raketo stabilizira ali spremeni smer. Plavuti in kanari brez zraka ne morejo delovati. Znanstvenofantastični filmi, ki prikazujejo rakete v vesolju s krili in plavuti, so dolga do fantastike in kratka do znanosti. Najpogostejše vrste aktivnih kontrol v vesolju so rakete za nadzor položaja. Majhne skupine motorjev so nameščene po vsem vozilu. Z izstrelitvijo prave kombinacije teh majhnih raket lahko vozilo obrnete v katero koli smer. Takoj, ko so pravilno usmerjeni, glavni motorji zažgejo, raketo pošljejo v novo smer.

The maša še en pomemben dejavnik, ki vpliva na njegovo zmogljivost. Lahko se razlikuje med uspešnim letom in spuščanjem po palici. Raketni motor mora ustvariti potisk, ki je večji od skupne mase vozila, preden raketa lahko zapusti tla. Raketa z veliko nepotrebne mase ne bo tako učinkovita kot tista, ki je prirezana zgolj na golo osnovo. Skupna masa vozila se porazdeli po tej splošni formuli idealne rakete:

• Devetindevetdeset odstotkov celotne mase bi moralo biti pogonsko gorivo.
• Tri odstotke naj bodo rezervoarji, motorji in plavuti.
• Uporabna obremenitev lahko znaša 6 odstotkov. Uporabne obremenitve so lahko sateliti, astronavti ali vesoljska plovila, ki bodo potovala na druge planete ali lune.

Pri določanju učinkovitosti zasnove raket raketarji govorijo v smislu množičnega deleža ali "MF". Masa raketna goriva, deljena s skupno maso rakete, dajejo masni delež: MF = (masa pogonskih goriv) / (skupna masa)

V idealnem primeru je masni delež rakete 0,91. Mogoče bi si kdo mislil, da je MF 1,0 popoln, toda potem celotna raketa ne bi bila nič drugega kot gruča pogonskih goriv, ​​ki bi se vžgale v ognjeno kroglo. Večja kot je MF številka, raketa lahko prenese manj obremenitve. Manjša kot je številka MF, manjši postane njen obseg. Številka MF 0,91 je dobro razmerje med zmogljivostjo prenosa nosilnosti in razponom.

MSP ima približno 0,82 MF. MF se razlikuje med različnimi orbitri v floti vesoljskega prevoza in z različnimi utežmi posamezne misije.

Rakete, ki so dovolj velike za prevoz vesoljskih plovil v vesolje, imajo resne težave s težo. Za dosego vesolja in iskanje ustreznih orbitalnih hitrosti je potrebno veliko goriva. Zato rezervoarji, motorji in pripadajoča strojna oprema postanejo večji. Do neke mere večje rakete letijo dlje kot manjše rakete, ko pa postanejo prevelike, pa jih njihova konstrukcija preveč tehta. Masni delež se zmanjša na nemogoče število.

Rešitev tega problema je mogoče zaslužiti za proizvajalca ognjemeta iz 16. stoletja Johanna Schmidlapa. Na vrh velikih je pritrdil majhne rakete. Ko se je velika raketa izčrpala, je ohišje rakete padlo zadaj in preostala raketa je bila izstreljena. Doseženi so bili veliko večji nadmorski višini. Te rakete, ki jih je uporabljal Schmidlap, so imenovali step rakete.

Danes se ta tehnika gradnje rakete imenuje staging. Zahvaljujoč uprizoritvi je postalo mogoče doseči ne le vesolje, ampak tudi Luno in druge planete. Space Shuttle sledi načelu koračne rakete, ko spušča svoje trdne raketne ojačevalnike in zunanji rezervoar, ko so izčrpani pogonskih goriv.