Jak systémy řízení letu stabilizují rakety

Budování účinného raketového motoru je jen část problému. raketa musí být také stabilní za letu. Stabilní raketa je ta, která letí hladkým a jednotným směrem. Nestabilní raketa letí nepravidelnou cestou, někdy se otáčí nebo mění směr. Nestabilní rakety jsou nebezpečné, protože není možné předvídat, kam půjdou - dokonce se mohou obrátit vzhůru nohama a najednou se vydat přímo zpět k odpalovací rampě.

Co dělá raketu stabilní nebo nestabilní?

Veškerá hmota má uvnitř uvnitř bod nazývaný těžiště nebo „CM“, bez ohledu na jeho velikost, hmotnost nebo tvar. Těžiště je přesné místo, kde je veškerá hmota daného objektu dokonale vyvážená.

Můžete snadno najít těžiště předmětu - například pravítko - jeho vyvážením na prst. Má-li materiál použitý k vytvoření pravítka stejnoměrnou tloušťku a hustotu, měl by být těžiště v polovině mezi jedním koncem tyčinky a druhým. CM by už nebyla uprostřed, kdyby byl těžký hřebík vhozen do jednoho z jeho konců. Bod vyrovnání by byl blíže ke konci s hřebíkem.

CM je důležitá při letu rakety, protože kolem tohoto bodu se hroutí nestabilní raketa. Ve skutečnosti jakýkoli předmět v letu má sklon k pádu. Pokud hodíte hůl, bude to vypadat konec konce. Házet míč a to se točí za letu. Akt otáčení nebo omílání stabilizuje předmět za letu. Frisbee půjde tam, kam chcete, pouze pokud ho hodíte úmyslnou rotací. Zkuste házet Frisbee, aniž byste točili, a zjistíte, že letí v nevyzpytatelné cestě a nedosahuje značek, pokud ho vůbec můžete hodit.

Roll, Pitch and Yaw

Spinning nebo omílání se koná kolem jedné nebo více ze tří os za letu: převrácení, stoupání a zatáčení. Bodem, kde se protínají všechny tři tyto osy, je těžiště.

Osy hřiště a úhly jsou nejdůležitější v letu rakety, protože jakýkoli pohyb v obou těchto směrech může způsobit, že raketa vystoupí z kurzu. Osa otáčení je nejméně důležitá, protože pohyb podél této osy neovlivní dráhu letu.

Ve skutečnosti, kroutící se pohyb pomůže stabilizovat raketu stejným způsobem, jak je řádně prošel fotbal stabilizován válcováním nebo spirálou za letu. Ačkoli špatně míjený fotbal může stále létat ke své značce, i když se spíše hroutí než hodí, raketa nebude. Energie akce-reakce fotbalového průsmyku je házečem zcela vyčerpána v okamžiku, kdy míč opustí ruku. U raket je tah motoru stále produkován, zatímco je raketa v letu. Nestabilní pohyby o rozteč a osy natočení způsobí, že raketa opustí plánovaný směr. K prevenci nebo alespoň minimalizaci nestabilních pohybů je nutný kontrolní systém.

Střed tlaku

Dalším důležitým střediskem, které ovlivňuje let rakety, je jeho centrum tlaku nebo „CP“. Střed tlaku existuje pouze tehdy, když vzduch protéká kolem pohybující se rakety. Tento proud vzduchu, tření a tlačení proti vnějšímu povrchu rakety, může způsobit, že se začne pohybovat kolem jedné ze svých tří os.

Pomyslete na korouhvičku, šípku podobnou hůlku namontovanou na střeše a používanou k vypovídání směru větru. Šipka je připojena ke svislé tyči, která působí jako otočný bod. Šipka je vyvážená, takže těžiště je přímo v otočném bodě. Když vítr fouká, šipka se otočí a hlava šipky ukazuje na blížící se vítr. Ocas šipky ukazuje směrem dolů.

A korouhvička šipka směřuje do větru, protože ocas šipky má mnohem větší plochu povrchu než šipka. Proudící vzduch dodává ocasu větší sílu než hlava, takže ocas je tlačen pryč. Na šipce je bod, kde je povrchová plocha na jedné straně stejná. Toto místo se nazývá střed tlaku. Střed tlaku není na stejném místě jako střed hmoty. Pokud by to bylo, pak by žádný konec šípu nebyl upřednostňován větrem. Šipka by nemířila. Střed tlaku je mezi středem hmoty a koncem šipky. To znamená, že ocasní konec má větší povrchovou plochu než přední konec.

Střed tlaku v raketě musí být umístěn směrem k ocasu. Střed hmoty musí být umístěn směrem k nosu. Pokud jsou na stejném místě nebo velmi blízko sebe, bude raketa za letu nestabilní. Pokouší se otáčet kolem středu hmoty v osách stoupání a zatáčení, což způsobuje nebezpečnou situaci.

Řídicí systémy

Stabilizace rakety vyžaduje určitou formu řídicího systému. Řídicí systémy pro rakety udržují raketu v letu stabilní a nasměrují ji. Malé rakety obvykle vyžadují pouze stabilizační kontrolní systém. Velké rakety, jako jsou ty, které vypouštějí satelity na oběžné dráze, vyžadují systém, který nejen stabilizuje raketu, ale také jí umožňuje měnit směr letu za letu.

Ovládací prvky na raketách mohou být aktivní nebo pasivní. Pasivní ovládání jsou pevná zařízení, která udržují rakety stabilizované jejich samotnou přítomností na vnějším povrchu rakety. Během letu rakety lze aktivními ovládacími prvky pohybovat, aby se loď stabilizovala a řídila.

Pasivní kontroly

Nejjednodušší ze všech pasivních ovládacích prvků je hůl. čínština oheň šípy Byly to jednoduché rakety namontované na koncích tyčí, které udržovaly střed tlaku za středem hmoty. I přes to byly ohnivé šípy notoricky nepřesné. Vzduch musel protékat kolem rakety, než se mohl střed tlaku projevit. Když je šipka stále na zemi a nehybná, může se vyklouznout a vystřelit špatně.

Přesnost střeleckých šípů byla o mnoho let později vylepšena jejich umístěním do žlabu zaměřeného správným směrem. Koryto vedlo šipku, dokud se nepohybovala dostatečně rychle, aby se sama ustálila.

Další důležité zlepšení v raketě přišlo, když byly tyčky nahrazeny shluky lehkých žeber namontovaných kolem spodního konce poblíž trysky. Ploutve by mohly být vyrobeny z lehkých materiálů a měly by být tvarově efektivní. Dali raketám podobu šipek. Velká plocha ploutví snadno udržovala střed tlaku za středem hmoty. Někteří experimentátoři dokonce ohýbali spodní špičky žeber tak, aby podporovali rychlé otáčení za letu. S těmito „rotujícími ploutvemi“ se rakety stávají mnohem stabilnějšími, ale tento design vytvořil větší odpor a omezil rozsah raket.

Aktivní ovládání

Hmotnost rakety je rozhodujícím faktorem výkonu a dosahu. Původní palba šípu přidala do rakety příliš mnoho mrtvé váhy, a proto značně omezila její dosah. Se začátkem moderní raketové techniky ve 20. století byly hledány nové způsoby, jak zlepšit stabilitu rakety a současně snížit celkovou hmotnost rakety. Odpovědí byl vývoj aktivních kontrol.

Mezi aktivní kontrolní systémy patřily lopatky, pohyblivá žebra, kanystry, závěsné trysky, vernierové rakety, vstřikování paliva a rakety na kontrolu polohy.

Naklápěcí ploutve a kachny jsou ve vzhledu velmi podobné - jediným skutečným rozdílem je jejich umístění na raketě. Kardely jsou namontovány na přední straně, zatímco sklopná žebra jsou vzadu. Za letu se ploutve a kachny naklánějí jako kormidla, aby odklonily proud vzduchu a způsobily změnu směru rakety. Pohybové senzory na raketě detekují neplánované změny směru a korekce mohou být provedeny mírným nakláněním ploutví a kardinek. Výhodou těchto dvou zařízení je jejich velikost a hmotnost. Jsou menší a lehčí a produkují méně odporu než velké ploutve.

Jiné aktivní kontrolní systémy mohou zcela eliminovat ploutve a kachny. Změny kurzu lze provést za letu nakloněním úhlu, ve kterém výfukový plyn opouští raketový motor. Pro změnu směru výfukových plynů lze použít několik technik. Vanes jsou malá konečná zařízení umístěná uvnitř výfuku raketového motoru. Naklápěcí lopatky odvádějí výfuk a raketovou reakcí reaguje opačným směrem.

Dalším způsobem pro změnu směru výfukového plynu je výfuková hubice. Gimbaled tryska je ten, který je schopen kývat, zatímco výfukové plyny jím prochází. Nakloněním trysky motoru správným směrem raketa reaguje změnou kurzu.

Vernierovy rakety lze také použít ke změně směru. Jsou to malé rakety namontované na vnější straně velkého motoru. V případě potřeby střílejí a vytvářejí požadovanou změnu kurzu.

Ve vesmíru může raketa stabilizovat nebo změnit její směr pouze otáčením rakety podél osy otáčení nebo pomocí aktivních ovládacích prvků zahrnujících výfuk motoru. Ploutve a kachny nemají na vzduchu nic společného. Sci-fi filmy ukazující rakety ve vesmíru s křídly a ploutvemi jsou dlouho na fikci a krátké na vědě. Nejobvyklejšími druhy aktivních ovládacích prvků používaných ve vesmíru jsou rakety na ovládání polohy. Kolem vozidla jsou namontovány malé shluky motorů. Vypálením správné kombinace těchto malých raket lze vozidlo otočit v libovolném směru. Jakmile jsou správně zaměřeny, hlavní motory vystřelí a raketu vypustí novým směrem.

Masa rakety

Hmotnost rakety je dalším důležitým faktorem ovlivňujícím její výkon. Může to znamenat rozdíl mezi úspěšným letem a poskakováním na odpalovací ploše. Předtím, než raketa opustí zem, musí raketový motor dosáhnout tahu, který je větší než celková hmotnost vozidla. Raketa se spoustou zbytečné hmoty nebude tak účinná jako ta, která je upravena na pouhé základní věci. Celková hmotnost vozidla by měla být rozdělena podle tohoto obecného vzorce pro ideální raketu:

  • Devadesát jedno procento z celkové hmotnosti by mělo být pohonných hmot.
  • Tři procenta by měly být tanky, motory a ploutve.
  • Užitečné zatížení může činit 6 procent. Užitečným nákladem mohou být satelity, astronauti nebo kosmické lodě, které budou cestovat na jiné planety nebo měsíce.

Při určování efektivity raketového designu hovoří raketáři z hlediska hmotnostního zlomku nebo „MF“. Hmotnost raketové pohonné hmoty děleno celkovou hmotností rakety dává hmotnostní zlomek: MF = (hmotnost pohonných hmot) / (celková hmotnost)

Ideálně je hmotnostní zlomek rakety 0,91. Jeden by si mohl myslet, že MF 1,0 je perfektní, ale pak by celá raketa nebyla ničím jiným než hrouda pohonných hmot, která by se zapálila do ohnivé koule. Čím větší je číslo MF, tím menší užitečné zatížení může raketa nést. Čím je číslo MF menší, tím menší je jeho rozsah. Číslo MF 0,91 je dobrá rovnováha mezi schopností přenášet užitečné zatížení a rozsahem.

Raketoplán má MF přibližně 0,82. MF se liší mezi různými oběžnými dráhami ve flotile raketoplánu as různými hmotnostmi užitečného zatížení každé mise.

Rakety, které jsou dostatečně velké na to, aby mohly kosmickou loď nést do vesmíru, mají vážné problémy s hmotností. K dosažení prostoru a nalezení správné orbitální rychlosti je zapotřebí velké množství paliva. Nádrže, motory a související hardware se proto zvětšují. Až do okamžiku větší rakety létají dále než menší rakety, ale když se stanou příliš velkými, jejich struktura je příliš váží. Hmotnostní zlomek je redukován na nemožné číslo.

Řešení tohoto problému lze připsat výrobci ohňostrojů ze 16. století Johann Schmidlap. Připojil malé rakety na vrchol velkých. Když byla velká raketa vyčerpaná, kryt rakety byl upuštěn a zbývající raketa vystřelena. Bylo dosaženo mnohem vyšších nadmořských výšek. Tyto rakety používané Schmidlap byly nazývány step rakety.

Dnes se tato technika budování rakety nazývá inscenace. Díky inscenování bylo možné dosáhnout nejen vesmíru, ale i Měsíce a dalších planet. Raketoplán dodržuje princip krokové rakety tím, že při vyčerpání pohonných hmot upustí od svých pevných raketových posilovačů a vnější nádrže.