Hogyan stabilizálják a repülési irányító rendszerek a rakétákat?

A hatékony rakétamotor felépítése csak a probléma része. Az rakéta repülés közben is stabilnak kell lennie. A stabil rakéta simán, egyenletes irányban repül. Egy instabil rakéta egy szabálytalan út mentén repül, néha megdőlve vagy megváltoztatva az irányt. Az instabil rakéták veszélyesek, mert nem lehet megjósolni, hova kerülnek - akár fordítva is fordulhatnak, és hirtelen közvetlenül visszajuthatnak az indítópadhoz.

Minden anyagnak van egy pontja, amelyet tömegközéppontnak vagy „CM” -nek neveznek, méretétől, tömegétől vagy alakjától függetlenül. A tömegközéppont a pontos pont, ahol a tárgy teljes tömege tökéletesen kiegyensúlyozott.

Könnyen megtalálhatja egy tárgy - például egy vonalzó - tömegközéppontját az ujjával kiegyensúlyozva. Ha az vonalzó készítéséhez felhasznált anyag egyenletes vastagságú és sűrűséget mutat, a tömegközéppontnak a pálca egyik vége és a másik fél középpontjában kell lennie. A CM már nem lenne a közepén, ha az egyik végéhez nehéz szöget vezetnének. Az egyensúly pontja közelebb lenne a köröm végéhez.

A CM fontos a rakéta repülésében, mert ezen a ponton instabil rakéta zuhan. Valójában bármely repülés közben lévő tárgy hajlamos. Ha dobsz egy botot, az a végére esik. Dobj el egy labdát, és repülés közben forog. A forgás vagy bukás stabilizálja a tárgyat repülés közben. Egy frisbis csak akkor megy oda, ahová csak akarsz, ha szándékos centrifugálással dobja el. Próbáljon meg dobni egy frisbét anélkül, hogy forgatná, és rájön, hogy hibás úton repül, és messze elmarad a jelétől, ha egyáltalán el tudja dobni.

A forgásra vagy a zuhanásra repülés közben három tengely egy vagy többének körül kerül sor: gördülés, emelkedés és elfordulás. Az a pont, ahol mind a három tengely keresztezi, a tömeg központja.

A hangmagasság és a tengely tengelyei a legfontosabbak a rakéta repülésében, mivel a két irány bármelyikében történő mozgás a rakéta lejtőn történő lefolyását okozhatja. A gördülő tengely a legkevésbé fontos, mivel a tengely mentén történő mozgás nem befolyásolja a repülési útvonalat.

Valójában a gördülő mozgás ugyanúgy segíti a rakéta stabilizálását, ahogy egy megfelelően átadott labdarúgást stabilizálják a repülés közben történő gördítéssel vagy spirállal. Bár egy rosszul átadott labdarúgás még akkor is repülhet a jelére, ha dobás helyett gördül, a rakéta nem fog. A labdarúgó passz akció-reakció energiáját a dobó teljes mértékben felhasználja, amikor a labda elhagyja a kezét. Rakéták esetén a motor tolóerője még mindig előáll, amíg a rakéta repül. A hangmagasság és az elfordulási tengelyek instabil mozgása miatt a rakéta elhagyja a tervezett pályát. Az instabil mozgások megakadályozására vagy legalább minimalizálására ellenőrző rendszerre van szükség.

Egy másik fontos központ, amely a rakéta repülését befolyásolja, a nyomáspontja vagy a „CP”. A nyomás középpontja csak akkor létezik, ha a levegő áramlik a mozgó rakéta felett. Ez az áramló levegő, amely a rakéta külső felületéhez dörzsöl és rányúlik, a három tengelye egyikének körül mozoghat.

Gondolj egy időjárási lapátra, egy nyílszerű botra, amely a tetőn van felszerelve és a szélirány megadására szolgál. A nyíl egy függőleges rúdra van rögzítve, amely forgópontként szolgál. A nyíl kiegyensúlyozott, tehát a tömegközéppont közvetlenül a forgási pontnál van. Amikor a szél fúj, a nyíl megfordul, és a nyíl feje a közeledő szél felé mutat. A nyíl farka lefelé mutat.

A szélkakas A nyíl a szél felé mutat, mert a nyíl farka sokkal nagyobb felülettel rendelkezik, mint a nyílfej. Az áramló levegő nagyobb erőt ad a faroknak, mint a fej, így a farok el van tolva. A nyílban van egy pont, ahol a felület megegyezik az egyik oldalon a másikkal. Ezt a helyet a nyomás központjának nevezzük. A nyomás középpontja nem egy helyen van, mint a tömeg központja. Ha igen, akkor a nyíl egyik végét sem részesíti előnyben a szél. A nyíl nem mutat. A nyomás középpontja a tömegközéppont és a nyíl farok vége között van. Ez azt jelenti, hogy a farok végének nagyobb felülete van, mint a fejének.

A rakéta nyomásának középpontját a farok felé kell elhelyezni. A tömeg központját az orr felé kell elhelyezni. Ha ugyanabban a helyen vagy nagyon közel vannak egymáshoz, akkor a rakéta repülés közben instabil lesz. Megpróbál forogni a tömegközéppontban a hangmagasságban és a tengelyekben, veszélyes helyzetet eredményezve.

A rakéta stabilizálásához valamilyen irányítási rendszer szükséges. A rakéták vezérlőrendszerei stabilnak tartják a rakétát repülés közben és irányítják azt. A kis rakéták általában csak egy stabilizáló vezérlőrendszert igényelnek. A nagy rakétákhoz, például azokhoz, amelyek műholdakat indítanak pályára, olyan rendszerre van szükség, amely nem csak a rakétát stabilizálja, hanem repülési közben is megváltoztathatja a pályát.

A rakéták vezérlése lehet aktív vagy passzív. A passzív vezérlők olyan rögzített eszközök, amelyek stabilizálják a rakétákat azáltal, hogy a rakéta külső részén vannak. Az aktív kezelőszervek mozgathatók, amíg a rakéta repülés közben stabilizálja és irányítja a vízi járművet.

Az összes passzív vezérlés közül a legegyszerűbb a bot. kínai tűz nyilak egyszerű botok végére szerelt rakéták voltak, amelyek a nyomás középpontját a tömegközéppont mögött tartották. Ennek ellenére a tűznyilak közismerten pontatlanok. Levegőnek a rakéta előtt kellett áramolnia, mielőtt a nyomás középpontja hatályba léphet. Még mindig a földön és mozdulatlanul a nyíl rosszul támadhat és tüzet okozhat.

A tűznyilak pontossága évekkel később jelentősen javult azáltal, hogy azokat a megfelelő irányba vályúba helyezték. A vályú addig vezette a nyilat, amíg elég gyorsan el nem mozdult ahhoz, hogy önmagában stabil maradjon.

A sziklakertészet egyik fontos javulása akkor jelent meg, amikor a botok csekély könnyű bordákkal vannak helyettesítve, amelyek az alsó vég körül vannak elhelyezve a fúvóka közelében. A bordák könnyű alapanyagokból készülhetnek és alakja egyszerűsíthető. A rakéták dartszerű megjelenését adták. Az uszonyok nagy felülete könnyen tartotta a nyomásközpontot a tömegközéppont mögött. Néhány kísérlet még az uszony alsó hegyét görgővel is meghajlította, hogy elősegítse a gyors forgást repülés közben. Ezekkel a "spin uszonyokkal" a rakéták sokkal stabilabbá válnak, de ez a kialakítás nagyobb lökést okozott és korlátozta a rakéta hatótávolságát.

A rakéta súlya kritikus tényező a teljesítmény és a távolság szempontjából. Az eredeti tűz nyíl túlságosan nagy holttestet adott a rakéta számára, és ezért jelentősen korlátozta hatótávolságát. A modern sziklakertészet 20. század kezdetével új módszereket kerestek a rakéta stabilitásának javítására, és ezzel egyidejűleg a rakéta teljes súlyának csökkentésére. A válasz az aktív kontroll fejlesztése volt.

Az aktív vezérlőrendszerek tartalmaztak lapátokat, mozgatható uszonyokat, képeslapokat, sodrott fúvókákat, vörös rakétákat, üzemanyag-befecskendező és helyzetszabályozó rakétákat.

A dönthető uszonyok és a bordalapok megjelenésükben meglehetősen hasonlóak - az egyetlen valódi különbség a rakéton való elhelyezkedésük. A gyöngyök az elülső oldalra vannak felszerelve, míg a dönthető uszonyok hátul vannak. Repülés közben az uszonyok és a szárnyak kormányhoz hasonlóan dőlnek, hogy eltérítsék a légáramot, és a rakéta irányát változtassák. A rakéta mozgásérzékelői észlelik a nem tervezett irányváltásokat, és a korrekciókat az uszonyok és a gerendák kissé megdöntésével lehet végrehajtani. E két eszköz előnye a méret és súly. Kisebbek és könnyebbek, és kevesebb húzást eredményeznek, mint a nagy uszonyok.

Más aktív vezérlőrendszerek teljes mértékben kiküszöbölik az uszonyokat és a bordakat. A pálya változása repülés közben megváltoztatható abban a szögben, amelyben a kipufogógáz elhagyja a rakéta motorját. Számos technika alkalmazható a kipufogógáz irányának megváltoztatására. A lapátok kicsi finlike eszközök, amelyek a rakétamotor kipufogógázjába vannak behelyezve. A lapátok megdöntése eltéríti a kipufogót, és cselekvési reakció útján a rakéta az ellenkező irányba mutat.

A kipufogógáz irányának megváltoztatására szolgáló másik módszer a fúvóka rögzítése. A karimás fúvóka olyan, amely képes megingatni, miközben kipufogógázok haladnak rajta. A motor fúvókájának a megfelelő irányba történő döntésével a rakéta a irány megváltoztatásával reagál.

A Vernier rakéták irányváltoztatásra is használhatók. Ezek kicsi rakéták, amelyek a nagy motor külső oldalára vannak felszerelve. Tűznek, amikor szükséges, a kívánt irányváltást eredményezve.

Az űrben csak a rakéta forgatása a henger tengelye mentén, vagy az aktív kezelőszervek használata a motor kipufogógázaival stabilizálhatja a rakétát vagy megváltoztathatja annak irányát. Az uszonyoknak és a macskáknak nincs levegő nélkül működése. A sci-fi filmek, amelyekben az űrben rakétákat mutatnak szárnyakkal és uszonyokkal, hosszú a fikció és rövidek a tudományban. Az űrben használt aktív vezérlőelemek leggyakoribb típusai a helyzetvezérlő rakéták. A motor körül kicsi motorcsoportok vannak felszerelve a jármű körül. A kis rakéták megfelelő kombinációjának lövésével a jármű bármilyen irányba elfordítható. Amint megfelelő célzásra kerülnek, a fő motorok tüzet okoznak, és a rakétát új irányba indítják.

Az tömeg A rakéta egy másik fontos tényezője befolyásolja annak teljesítményét. Különbséget tehet a sikeres repülés és az indítópulton való körbejárás között. A rakétamotornak a jármű teljes tömegénél nagyobb tolóerőt kell előidéznie, mielőtt a rakéta elhagyhatja a talajt. A sok felesleges tömegű rakéta nem lesz olyan hatékony, mint egy puszta nélkülözhető anyag. A jármű teljes tömegét az ideális rakéta általános képletének megfelelően kell elosztani:

• A teljes tömeg kilencven egy százalékának hajtóanyagnak kell lennie.
• Három százaléknak tartályoknak, motoroknak és uszonyoknak kell lennie.
• A hasznos teher 6 százalékot tehet ki. Hasznos teher lehet műholdak, űrhajósok vagy űrhajók, amelyek más bolygókra vagy holdokra utaznak.

A rakétatervezés hatékonyságának meghatározásakor a rakéták tömegrész vagy „MF” értelemben beszélnek. A tömeg: a rakéta hajtóanyagait elosztva a rakéta teljes tömegével tömegfrakciót kap: MF = (hajtóanyagok tömege) / (teljes tömeg)

Ideális esetben a rakéta tömegszázaléka 0,91. Gondolhatnánk, hogy az MF 1,0 teljes, de az egész rakéta nem más, mint egy hajtógomba darabja, amely tűzlabdába gyullad meg. Minél nagyobb az MF-szám, annál kevesebb hasznos teher van a rakéta számára. Minél kisebb az MF-szám, annál kisebb lesz a tartománya. A 0,91 MF-szám jó egyensúlyt jelent a hasznos teherhordó képesség és a tartomány között.

A Space Shuttle MF értéke körülbelül 0,82. Az MF az Űrhajózási Flotta flottájának különböző keringőinek és az egyes küldetések eltérő hasznos teherbírásának függvényében változik.

Az űrhajók űrbe történő szállításához elég nagy rakéták súlyos súlyproblémákkal járnak. Nagyon sok hajtóanyag szükséges ahhoz, hogy elérjék a helyet és megtalálják a megfelelő orbitális sebességeket. Ezért a tartályok, a motorok és a hozzájuk tartozó hardver megnő. Egy pontig a nagyobb rakéták távolabb repülnek, mint a kisebb rakéták, de ha túl nagyok lesznek, azok szerkezete túlságosan lenyomja őket. A tömegfrakciót lehetetlen számra csökkentik.

Ennek a problémának a megoldását a 16. századi tűzijáték-gyártó, Johann Schmidlap hitelesíti. Kis rakétákat rögzített a nagyok tetejére. Amikor a nagy rakéta kimerült, a rakéta házát leengedték, és a fennmaradó rakéta lőtt. Sokkal magasabb tengerszint feletti magasságot sikerült elérni. Ezeket a Schmidlap által használt rakétákat lépésrakétáknak nevezték.

Manapság ezt a rakétaépítési technikát rendezésnek nevezik. A rendezésnek köszönhetően nem csak a világűrbe juthat el, hanem a holdra és más bolygókra is. Az Űrhajó a lépcsőzetes rakéta elvét követi azzal, hogy levetíti szilárd rakéta-erősítőit és külső tartályát, amikor kimerültek a hajtóanyagok.