Kako sustavi kontrole leta stabilizuju rakete

Izgradnja učinkovitog raketnog motora samo je dio problema. raketa također moraju biti stabilni u letu. Stabilna raketa je ona koja leti u glatkom, jednoličnom smjeru. Nestabilna raketa leti nepromijenjenom stazom, ponekad padajući ili mijenjajući smjer. Nestabilne rakete su opasne jer nije moguće predvidjeti kamo će krenuti - čak se mogu okrenuti naopačke i odjednom se uputiti natrag na lansirnu pločicu.

Sva materija ima točku koja se naziva središte mase ili "CM", bez obzira na veličinu, masu ili oblik. Središte mase je točno mjesto na kojem je sva masa tog predmeta savršeno izbalansirana.

Središte mase predmeta - poput ravnala - lako možete pronaći tako što ćete ga uravnotežiti na prstu. Ako je materijal korišten za izradu ravnala jednolike debljine i gustoće, središte mase mora biti na polovici točke između jednog kraja štapa i drugog. CM više ne bi bio u sredini kada bi se teški čavao ubacio u jedan od njegovih krajeva. Točka ravnoteže bila bi bliže kraju s noktom.

CM je važan pri letu raketa jer nestabilna raketa pada oko ove točke. U stvari, bilo koji predmet u letu ima tendenciju da se sruši. Ako bacite štap, on će se srušiti na kraju. Baci loptu i ona se vrti u letu. Čin predenja ili tupanja stabilizira objekt u letu. Frizbi će ići tamo gdje želite da ide samo ako ga namjerno zavrtite. Pokušajte baciti frizbi, a da ga ne okrećete, i vidjet ćete da leti neispravnim putem i daleko je daleko od svog znaka ako ga uopće možete baciti.

Okretanje ili prevrtanje odvija se oko jedne ili više od tri osi u letu: kotrljanje, nagib i nizak. Točka u kojoj se sve tri ove osi sijeku je središte mase.

Osovine nagiba i nagiba najvažnije su u letu raketa jer svako kretanje u bilo kojem od ova dva smjera može raketu poletjeti s puta. Osovina kotrljanja najmanje je važna jer kretanje po toj osi neće utjecati na putanju leta.

Zapravo će gibanje kotrljanja pomoći stabiliziranju rakete na isti način na koji je pravilno stavljen nogomet stabiliziran rolanjem ili spiraliziranjem u letu. Iako loše prošao nogomet može i dalje letjeti do svog znaka, čak i ako se tresne, a ne kotrlja, raketa neće. Akcijska reakcijska energija nogometnog propuha potpuno se troši bacačem u trenutku kad lopta napusti njegovu ruku. Uz rakete, potisak motora i dalje se proizvodi dok je raketa u letu. Nestabilni pokreti osi nagiba i nagibi uzrokovat će da raketa napusti planirani pravac. Potreban je upravljački sustav kako bi se spriječilo ili barem minimiziralo nestabilno kretanje.

Drugo važno središte koje utječe na let rakete je centar tlaka ili "CP". Centar tlaka postoji samo kad zrak struji pored rakete koja se kreće. Taj strujni zrak, trljanje i guranje prema vanjskoj površini rakete, može dovesti do toga da se počne kretati oko jedne od svoje tri osi.

Zamislite vremensku lopaticu, štap poput strelice postavljen na krovu i koji služi za otkrivanje smjera vjetra. Strelica je pričvršćena na okomitu šipku koja djeluje kao točka okreta. Strelica je izbalansirana tako da je središte mase točno na točki okreta. Kad puše vjetar, strelica se okreće i glava strelice upućuje na nadolazeći vjetar. Rep strelice usmjeren je prema dolje.

vjetrokaz strelica upućuje u vjetar jer rep strelice ima mnogo veću površinu od glave strelice. Tekući zrak daje većoj sili repu od glave, tako da se rep odgurne. Na strelici nalazi se točka gdje je površina s jedne strane jednaka kao i na drugoj. To mjesto nazivamo centrom pritiska. Centar pritiska nije na istom mjestu kao središte mase. Da jest, niti jedan kraj strelice ne bi pogodovao vjetru. Strelica ne bi ukazala. Središte pritiska je između središta mase i repnog kraja strelice. To znači da repni kraj ima više površine od glave.

Središte pritiska u raketi mora biti smješteno prema repu. Središte mase mora biti smješteno prema nosu. Ako su na istom mjestu ili su vrlo blizu jedna drugoj, raketa će biti nestabilna u letu. Pokušat će se zakretati oko središta mase u osovinama nagiba i nagiba, stvarajući opasnu situaciju.

Za postizanje stabilne rakete potreban je neki oblik upravljačkog sustava. Upravljački sustavi za rakete drže raketu stabilnom u letu i upravljaju je. Male rakete obično zahtijevaju samo stabilizirajući upravljački sustav. Za velike rakete, poput onih koje lansiraju satelite u orbitu, potreban je sustav koji raketu ne samo stabilizira, već i omogućava promjenu putanje tijekom leta.

Kontrole raketama mogu biti aktivne ili pasivne. Pasivne komande su fiksni uređaji koji drže rake stabilizirane njihovim prisustvom na vanjskoj strani rakete. Aktivne komande se mogu pomicati dok raketa leti, kako bi stabilizirala i upravljala letjelicom.

Najjednostavnija od svih pasivnih kontrola je štap. kineski vatrene strelice bile su jednostavne rakete montirane na krajevima štapova koji su održavali središte pritiska iza središta mase. Uprkos tome, vatrene strelice bile su notorno netočne. Zrak je morao strujati pored rakete prije nego što je centar pritiska mogao stupiti na snagu. Dok je još uvijek na zemlji i nepokretan, strijela se može usmjeriti i ispaliti pogrešnim putem.

Točnost vatrenih strelica znatno je poboljšana godinama kasnije postavljanjem u otvor u pravom smjeru. Korito je usmjeravalo strelicu sve dok se nije kretalo dovoljno brzo da postane stabilno.

Drugo važno poboljšanje raketiranja došlo je kada su palice zamijenjene grozdovima laganih peraja postavljenih oko donjeg kraja blizu mlaznice. Peraje mogu biti izrađene od laganih materijala i biti ujednačene u oblik. Dali su raketama izgled poput strelice. Velika površina peraja lako je održavala središte pritiska iza središta mase. Neki eksperimentatori čak su savijali donje vrhove peraja kako bi pospješili brzo okretanje u letu. S tim "okretnim perajama", rakete postaju mnogo stabilnije, ali ovaj dizajn doveo je do većeg povlačenja i ograničio domet rakete.

Težina rakete presudan je čimbenik performansi i raspona. Izvorna vatrena palica dodala je previše mrtve težine raketi i stoga znatno ograničila njezin domet. S početkom moderne raketne industrije u 20. stoljeću tražili su se novi načini za poboljšanje stabilnosti rakete i istodobno smanjenje ukupne težine rakete. Odgovor je bio razvoj aktivnih kontrola.

Aktivni upravljački sustavi obuhvaćali su krilce, pokretne peraje, kanare, mlaznice, rakete s remenima, rakete za ubrizgavanje goriva i kontrolu položaja.

Nagibne peraje i kanari po izgledu su vrlo slični jedni drugima - jedina stvarna razlika je njihov položaj na raketi. Kanadi su montirani na prednjem kraju, dok se naginju peraje straga. U letu se peraje i kanapi naginju poput kormila kako bi odvratili protok zraka i uzrokovali da raketa promijeni svoj tok. Senzori kretanja na raketi otkrivaju neplanirane promjene smjera, a ispravke se mogu izvršiti laganim naginjanjem peraja i kanapara. Prednost ova dva uređaja je njihova veličina i težina. Manji su i lakši te proizvode manje vučenja od velikih peraja.

Drugi aktivni upravljački sustavi mogu u potpunosti ukloniti peraje i kanape. Promjene putanje mogu se dogoditi u letu naginjanjem kuta pod kojim ispušni plin napušta raketni motor. Nekoliko tehnika može se koristiti za promjenu smjera ispuha. Lopatice su mali uređaji koji se naziru u ispuhu raketnog motora. Naginjanje lopatica odbija odsisavanje, a reakcijom djelovanja raketa reagira usmjeravajući suprotno.

Druga metoda za promjenu smjera ispušnih plinova je usmjeriti mlaznicu. Mizna sapnica je ona koja se može njihati dok ispušni plinovi prolaze kroz nju. Nagnuvši mlaznicu motora u pravom smjeru, raketa reagira promjenom smjera.

Vernierove rakete također se mogu koristiti za promjenu smjera. To su male rakete montirane na vanjskoj strani velikog motora. Pali se kad je potrebno, proizvodeći željenu promjenu smjera.

U prostoru, samo rotiranje rakete duž osi kotrljanja ili korištenjem aktivnih kontrola koje uključuju ispuh motora može stabilizirati raketu ili promijeniti smjer. Peraje i kanari nemaju što raditi bez zraka. Filmovi iz znanstvene fantastike koji prikazuju rakete u svemiru s krilima i perajama dugački su od fantastike, a kratki od znanosti. Najčešće vrste aktivnih kontrola koje se koriste u svemiru su rakete za kontrolu položaja. Mali grozdovi motora su postavljeni svuda oko vozila. Ispaljivanjem prave kombinacije tih malih raketa vozilo se može okrenuti u bilo kojem smjeru. Čim se pravilno usmjere, glavni motori pucaju, raketu šalju u novom smjeru.

masa rakete je još jedan važan čimbenik koji utječe na njegove performanse. To može napraviti razliku između uspješnog leta i šetnje okolo na lansirnoj pločici. Raketni motor mora stvoriti potisak veći od ukupne mase vozila prije nego što raketa može izaći iz tla. Raketa s puno nepotrebne mase neće biti tako učinkovita kao ona koja je urezana na samo gole osnove. Ukupna masa vozila treba se raspodijeliti slijedeći ovu opću formulu za idealnu raketu:

• Devedeset i jedan posto ukupne mase trebalo bi biti pogonsko gorivo.
• Tri posto bi trebali biti spremnici, motori i peraje.
• Korisni teret može iznositi 6 posto. Korisni tereti mogu biti sateliti, astronauti ili svemirske letjelice koje će putovati na druge planete ili mjesece.

U određivanju učinkovitosti dizajna raketa, raketeri govore u smislu masnog udjela ili “MF”. Masa pogonska sredstva rakete podijeljena s ukupnom masom rakete daju masni udio: MF = (masa pogonskog goriva) / (ukupna masa)

U idealnom slučaju masni udio rakete iznosi 0,91. Moglo bi se pomisliti da je MF od 1.0 savršen, ali tada cijela raketa neće biti ništa više od gomile pogonskih goriva koja bi se zapalila u vatrenu kuglu. Što je veći MF broj, raketa može da nosi manje korisnog opterećenja. Manji je MF broj, postaje i njegov raspon. MF broj od 0,91 je dobra ravnoteža između nosivosti i nosivosti.

MF iznosi oko 0,82. MF varira između različitih orbita u floti Space Shuttlea i s različitim težinama opterećenja svake misije.

Rakete koje su dovoljno velike za prijevoz svemira u svemir imaju ozbiljne probleme s težinom. Za postizanje svemira i pronalaženje ispravnih orbitalnih brzina potrebno je mnogo pogonskog goriva. Stoga spremnici, motori i pripadajući hardver postaju veći. Do nekog trenutka veće rakete lete dalje od manjih raketa, ali kad postanu prevelike, njihove strukture ih previše opterećuju. Maseni udio svodi se na nemogući broj.

Rješenje ovog problema može se pripisati proizvođaču vatrometa iz 16. stoljeća Johannu Schmidlapu. Na vrh velikih je pričvrstio male rakete. Kad se velika raketa iscrpila, kućište rakete je palo iza, a preostala raketa ispaljena. Postignute su znatno veće visine. Te rakete koje je Schmidlap koristio nazvane su rakete koraka.

Danas se ova tehnika gradnje rakete naziva inscenacija. Zahvaljujući inscenaciji, postalo je moguće ne samo do svemira, već i do Mjeseca i drugih planeta. Svemirski šatl slijedi princip rakete koraka odbacujući svoje čvrste raketne potisnike i vanjski spremnik kada im je iscrpljeno pogonsko gorivo.