Hvordan flykontrolsystemer stabiliserer raketter

Opbygning af en effektiv raketmotor er kun en del af problemet. Det raket skal også være stabil under flyvning. En stabil raket er en, der flyver i en jævn, ensartet retning. En ustabil raket flyver langs en uberegnelig sti, sommetider tumler eller skifter retning. Ustabile raketter er farlige, fordi det ikke er muligt at forudsige, hvor de skal hen - de kan endda vende på hovedet og pludselig gå direkte tilbage til startpuden.

Al materie har et punkt inde, der kaldes massens centrum eller "CM", uanset dets størrelse, masse eller form. Massens centrum er det nøjagtige sted, hvor al objektets masse er perfekt afbalanceret.

Du kan let finde massens centrum for et objekt - såsom en lineal - ved at afbalancere det på din finger. Hvis det materiale, der bruges til at fremstille linjalen, er af ensartet tykkelse og densitet, skal massecentret være midtvejs mellem den ene ende af pinden og den anden. CM ville ikke længere være i midten, hvis en tung søm blev drevet ind i en af ​​dens ender. Balancepunktet ville være nærmere slutningen med neglen.

CM er vigtig i raketflugt, fordi en ustabil raket tumler omkring dette punkt. Faktisk er enhver genstand under flyvning en tendens til at tumle. Hvis du kaster en pind, vil den tumle ende over ende. Kast en kugle, og den drejer under flyvning. Handlingen med at dreje eller tumle stabiliserer et objekt i flugt. En frisbee vil gå, hvor du vil have den til, kun hvis du kaster den med en bevidst spin. Prøv at kaste en frisbee uden at dreje den, og du vil opdage, at den flyver i en uberegnelig sti og falder langt under dens mærke, hvis du overhovedet kan smide den.

Spinning eller tumbling foregår omkring en eller flere af tre akser under flyvning: rulle, stigning og gab. Punktet, hvor alle disse tre akser skærer hinanden, er massens centrum.

Stig- og gabeakserne er de vigtigste i raketflugt, fordi enhver bevægelse i en af ​​disse to retninger kan få raketten til at gå af banen. Rulleaksen er den mindst vigtige, fordi bevægelse langs denne akse ikke vil påvirke flyvevejen.

Faktisk vil en rullende bevægelse hjælpe med at stabilisere raketten på samme måde som en korrekt passeret fodbold stabiliseres ved at rulle eller spiralere den under flyvning. Selvom en dårligt bestået fodbold stadig kan flyve til sit præg, selvom den tumler snarere end ruller, vil en raket ikke. Handlings-reaktionsenergien i en fodboldpas udvises fuldstændigt af kasteren i det øjeblik bolden forlader sin hånd. Med raketter produceres stadig drivkraft fra motoren, mens raketten er i flugt. Ustabile bevægelser om banen og gabeakserne får raketten til at forlade det planlagte kurs. Et kontrolsystem er nødvendigt for at forhindre eller i det mindste minimere ustabile bevægelser.

Et andet vigtigt center, der påvirker en rakets flyvning, er dens trykcenter eller "CP." Pressens centrum findes kun, når luft strømmer forbi den bevægelige raket. Denne flydende luft, der gnider og skubber mod raketens ydre overflade, kan få den til at begynde at bevæge sig omkring en af ​​dens tre akser.

Tænk på en vejrvan, en pillignende pind monteret på en tagterrasse og brugt til at fortælle vindretning. Pilen er fastgjort til en lodret stang, der fungerer som et drejepunkt. Pilen er afbalanceret, så massens centrum er lige ved drejepunktet. Når vinden blæser, drejer pilen, og pilens hoved peger på den kommende vind. Pilens hale peger i retning mod vinden.

EN vejrhane pil peger i vinden, fordi pilens hale har et meget større overfladeareal end pilespidsen. Den strømmende luft giver en større kraft til halen end hovedet, så halen skubbes væk. Der er et punkt på pilen, hvor overfladearealet er det samme på den ene side som den anden. Dette sted kaldes pressens centrum. Pressens centrum er ikke på samme sted som massecentret. Hvis det var tilfældet, ville ingen af ​​pilens ender blive foretrukket af vinden. Pilen vil ikke pege. Trykcentret er mellem massens centrum og pilens haleende. Dette betyder, at halens ende har mere overfladeareal end hovedenden.

Trykcentret i en raket skal være placeret mod halen. Massens centrum skal være placeret mod næsen. Hvis de er på samme sted eller meget tæt på hinanden, vil raketten være ustabil under flugt. Den vil forsøge at rotere omkring massecentret i tonehøjden og gabeakserne, hvilket frembringer en farlig situation.

At gøre en raket stabil, kræver en form for styringssystem. Styresystemer til raketter holder en raket stabil under flyvning og styrer den. Små raketter kræver normalt kun et stabiliserende kontrolsystem. Store raketter, såsom dem, der lancerer satellitter til bane, kræver et system, der ikke kun stabiliserer raketten, men også gør det muligt for den at ændre kurs, mens den er på flugt.

Kontrol på raketter kan være enten aktiv eller passiv. Passive kontroller er faste enheder, der holder raketter stabiliseret ved deres meget nærvær på raketens ydre. Aktive kontroller kan flyttes, mens raketten er på flugt for at stabilisere og styre fartøjet.

Den enkleste af alle passive kontroller er en pind. kinesisk brandpile var enkle raketter monteret på enderne af pinde, der holdt trykcentret bag massecentret. På trods af dette var brandpilene notorisk unøjagtige. Luft måtte strømme forbi raketten, før trykcentret kunne træde i kraft. Mens pilen stadig er på jorden og er ubevægelig, kan pilen ryge og skyde på den forkerte måde.

Nøjagtigheden af ​​brandpile blev forbedret betydeligt år senere ved at montere dem i et truge, der var rettet i den rigtige retning. Trug styrede pilen, indtil den bevægede sig hurtigt nok til at blive stabil på egen hånd.

En anden vigtig forbedring af raketry skete, når pinde blev erstattet af klynger af lette finner monteret omkring den nedre ende nær dysen. Finner kunne fremstilles af lette materialer og strømline i form. De gav raketter et dartlignende udseende. Finnernes store overfladeareal holdt let trykcentret bag massecentret. Nogle eksperimenter bøjede endda de nederste spidser af finnerne på en pinwheel-måde for at fremme hurtig spinding i flugt. Med disse "spinfins" bliver raketter meget mere stabile, men dette design producerede mere træk og begrænsede rakets rækkevidde.

Rakets vægt er en kritisk faktor i ydeevne og rækkevidde. Den originale ildpinde tilføjede raketten for meget dødvægt og begrænsede derfor dens rækkevidde betydeligt. Med begyndelsen af ​​moderne raketry i det 20. århundrede blev der søgt efter nye måder at forbedre raketstabiliteten og samtidig reducere den samlede raketvægt. Svaret var udviklingen af ​​aktive kontroller.

Aktive kontrolsystemer omfattede skovle, bevægelige finner, canards, dyberede dyser, vernierraketter, brændstofinjektion og attitude-control raketter.

Vippefinner og canards ligner hinanden meget i udseendet - den eneste virkelige forskel er deres placering på raketten. Canards monteres i forenden, mens vippefinnerne er bagpå. Under flyvning vipper finnerne og kanarderne som ror for at aflede luftstrømmen og få raketten til at ændre kurs. Bevægelsessensorer på raketten registrerer ikke planlagte retningsændringer, og der kan foretages korrektioner ved let at vippe finnerne og kanarderne. Fordelen ved disse to enheder er deres størrelse og vægt. De er mindre og lettere og giver mindre træk end store finner.

Andre aktive kontrolsystemer kan fjerne finner og canards helt. Kursændringer kan foretages under flyvning ved at vippe den vinkel, hvor udstødningsgassen forlader rakets motor. Flere teknikker kan bruges til at ændre udstødningsretningen. Vinger er små finlignende enheder placeret inde i udstødningen af ​​raketmotoren. Vipning af vingerne afleder udstødningen, og ved handling-reaktion reagerer raketten ved at pege den modsatte vej.

En anden metode til at ændre udstødningsretningen er at kimse dysen. En dyster dyser er en, der er i stand til at svinge, mens udstødningsgasser passerer gennem den. Ved at vippe motordysen i den rigtige retning reagerer raketten ved at skifte kurs.

Vernier-raketter kan også bruges til at ændre retning. Dette er små raketter monteret på ydersiden af ​​den store motor. De fyrer efter behov og producerer den ønskede kursændring.

I rummet er det kun at rotere raketten langs rulleaksen eller bruge aktive kontroller, der involverer motorudstødningen, kan stabilisere raketten eller ændre dens retning. Fins og canards har intet at arbejde på uden luft. Science fiction-film, der viser raketter i rummet med vinger og finner er længe efter fiktion og kort om videnskab. De mest almindelige slags aktive kontroller, der bruges i rummet, er raketter til holdningskontrol. Små klynger af motorer er monteret rundt om køretøjet. Ved at skyde den rigtige kombination af disse små raketter, kan køretøjet drejes i enhver retning. Så snart de er rettet korrekt, skyder hovedmotorerne ud og sender raketten væk i den nye retning.

Det masse af en raket er en anden vigtig faktor, der påvirker dens ydeevne. Det kan gøre forskellen mellem en vellykket flyvning og svælge rundt på startpladen. Raketmotoren skal producere et tryk, der er større end køretøjets samlede masse, før raketten kan forlade jorden. En raket med en masse unødvendig masse vil ikke være så effektiv som en, der er beskåret til bare det blotte væsentlige. Køretøjets samlede masse skal fordeles efter denne generelle formel for en ideel raket:

• Enoghalvfem procent af den samlede masse skal være drivmidler.
• Tre procent skal være tanke, motorer og finner.
• Nyttelast kan udgøre 6 procent. Nyttelast kan være satellitter, astronauter eller rumfartøjer, der rejser til andre planeter eller måner.

Ved at bestemme effektiviteten af ​​et raketdesign taler rocketeers i form af massefraktion eller "MF." Massen af rakets drivmidler divideret med rakets samlede masse giver massefraktion: MF = (Massa af drivmidler) / (Total masse)

Ideelt set er massefraktionen af ​​en raket 0,91. Man kunne tro, at en MF på 1,0 er perfekt, men så ville hele raketten kun være andet end en klump drivmidler, der ville antænde i en ildkugle. Jo større MF-nummer, jo mindre nyttelast kan raketten bære. Jo mindre MF-nummer er, jo mindre bliver rækkevidde. Et MF-tal på 0,91 er en god balance mellem nyttelastbæreevne og rækkevidde.

Rumfærgen har en MF på cirka 0,82. MF varierer mellem de forskellige kredsløb i rumfærgenflåden og med de forskellige nyttelastvægte for hver mission.

Raketter, der er store nok til at transportere rumfartøjer i rummet, har alvorlige vægtproblemer. Der er behov for en hel del drivmiddel for at de kan nå plads og finde rette orbitalhastigheder. Derfor bliver tanke, motorer og tilhørende hardware større. Op til et punkt flyver større raketter længere end mindre raketter, men når de bliver for store vejer deres strukturer dem for meget. Massefraktionen reduceres til et umuligt antal.

En løsning på dette problem kan krediteres det 16. århundrede fyrværkeri Johann Schmidlap. Han fastgjorde små raketter på toppen af ​​de store. Da den store raket var opbrugt, blev rakethylsteret droppet bagpå og den resterende raket fyret. Meget højere højder blev opnået. Disse raketter brugt af Schmidlap blev kaldt trinaketter.

I dag kaldes denne teknik til at opbygge en raket iscenesættelse. Takket være iscenesættelse er det blevet muligt ikke kun at nå det ydre rum, men også månen og andre planeter. Space Shuttle følger step raket-princippet ved at droppe dets faste raketforstærkere og den eksterne tank, når de er udmattede af drivmaskiner.