Как системите за управление на полета стабилизират ракетите

Изграждането на ефективен ракетен двигател е само част от проблема. Най- ракета трябва да са стабилни и при полет. Стабилната ракета е тази, която лети в гладка, равномерна посока. Нестабилна ракета лети по нестабилна пътека, като понякога се преобръща или променя посоката. Нестабилните ракети са опасни, тъй като не е възможно да се предвиди къде ще отидат - те могат дори да се обърнат с главата надолу и изведнъж да се насочат директно обратно към стартовата площадка.

Цялата материя има точка вътре, наречена център на масата или „СМ“, независимо от нейния размер, маса или форма. Центърът на масата е точното място, където цялата маса на този обект е перфектно балансирана.

Можете лесно да намерите центъра на масата на даден предмет - например владетел - като го балансирате на пръста си. Ако материалът, използван за направата на владетеля, е с еднаква дебелина и плътност, центърът на масата трябва да бъде в средата на средата между единия край на пръчката и другия. СМ вече няма да е в средата, ако в единия му край се вкара тежък пирон. Точката на баланс ще бъде по-близо до края с нокътя.

СМ е важен при полета на ракета, тъй като около тази точка нестабилна ракета се спуска. Всъщност всеки предмет в полет има тенденция да се разрушава. Ако хвърлите пръчка, тя ще се спусне от край до край. Хвърлете топка и тя се върти в полет. Актът на въртене или тупане стабилизира предмет в полет. Фризби ще отиде там, където искате, отидете само ако го хвърлите с умишлено въртене. Опитайте да хвърлите фризби, без да го въртите и ще разберете, че той лети по нереден път и е далеч от знака си, ако изобщо можете да го хвърлите.

Завъртането или въртенето се извършва около една или повече от три оси в полет: ролка, стъпка и прозяване. Точката, в която и трите оси се пресичат, е центърът на масата.

Осите на наклона и наклона са най-важни при полета на ракета, тъй като всяко движение в някоя от тези две посоки може да доведе до изстрелване на ракетата. Оста на ролката е най-малко важна, тъй като движението по тази ос няма да повлияе на траекторията на полета.

В действителност, движението на търкаляне ще помогне за стабилизиране на ракетата по същия начин, по който правилно преминалият футбол се стабилизира, като го търкаляте или спиралирате в полет. Въпреки че лошо преминалият футбол все още може да лети до своя знак, дори и да се забие, а не да се търкаля, ракета няма. Енергията на реакция на действие на футболен пас се изразходва напълно от хвърлящия в момента, в който топката напусне ръката му. При ракетите тягата от двигателя все още се произвежда, докато ракетата е в полет. Нестабилните движения около осите на стъпката и наклона ще доведат до излизане на ракетата от планирания курс. Необходима е система за контрол, за да се предотвратят или поне сведат до минимум нестабилните движения.

Друг важен център, който влияе върху полета на ракетата, е нейният център на налягане или „CP“. Центърът на налягане съществува само когато въздух тече покрай подвижната ракета. Този течащ въздух, триене и натискане върху външната повърхност на ракетата, може да накара да започне да се движи около една от трите си оси.

Помислете за метеорологична лопатка, пръчка, подобна на стрела, монтирана на покрива и използвана за посочване на посоката на вятъра. Стрелката е прикрепена към вертикален прът, който действа като точка на въртене. Стрелката е балансирана, така че центърът на масата е точно в точката на въртене. Когато духа вятър, стрелката се обръща и главата на стрелката сочи към идващия вятър. Опашката на стрелката сочи в посока надолу.

А флюгер стрелката сочи във вятъра, тъй като опашката на стрелката има много по-голяма повърхност от главата на стрелката. Течащият въздух придава по-голяма сила на опашката от главата, така че опашката се изтласква. На стрелката има точка, при която повърхността на повърхността е една и съща от другата. Това петно ​​се нарича център на натиск. Центърът на налягане не е на същото място като центъра на масата. Ако беше, тогава нито единият край на стрелата нямаше да бъде облагодетелстван от вятъра. Стрелката не би сочила. Центърът на налягане е между центъра на масата и опашния край на стрелката. Това означава, че края на опашката има повече повърхност от края на главата.

Центърът на налягане в ракета трябва да бъде разположен към опашката. Центърът на масата трябва да бъде разположен към носа. Ако са на едно и също място или много близо една до друга, ракетата ще бъде нестабилна при полет. Той ще се опита да се върти около центъра на масата в осите на терена и прозяване, създавайки опасна ситуация.

Направата на ракета стабилна изисква някаква форма на система за управление. Системите за управление на ракетите поддържат ракета стабилна по време на полет и я управляват. Малките ракети обикновено изискват само стабилизираща система за управление. Големите ракети, като тези, които изстрелват спътници в орбита, изискват система, която не само стабилизира ракетата, но и й позволява да променя курса по време на полет.

Управлението на ракетите може да бъде активно или пасивно. Пасивните контроли са неподвижни устройства, които поддържат ракетите стабилизирани от самото им присъствие във външната част на ракетата. Активните контроли могат да бъдат премествани, докато ракетата е в полет, за да стабилизира и управлява кораба.

Най-простият от всички пасивни контроли е пръчка. Китайски огневи стрели бяха прости ракети, монтирани на краищата на пръчки, които поддържаха центъра на натиск зад центъра на масата. Независимо от това, пожарните стрели бяха известни неточно. Въздухът трябваше да тече покрай ракетата, преди центърът на налягане да влезе в сила. Докато все още е на земята и неподвижен, стрелата може да притиска и стреля по грешен начин.

Точността на огневите стрели беше подобрена значително години по-късно чрез монтирането им в корито, насочено в правилната посока. Коритото насочваше стрелката, докато се движеше достатъчно бързо, за да стане стабилна сама по себе си.

Друго важно подобрение на ракетната техника стана, когато пръчките бяха заменени от струпвания от леки перки, монтирани около долния край близо до дюзата. Плавниците могат да бъдат направени от леки материали и да бъдат опростени по форма. Те придадоха на ракетите вид на стрела. Голямата повърхност на перките лесно поддържа центъра на налягане зад центъра на масата. Някои експериментатори дори огъват долните връхчета на перките по начин на въртене, за да насърчат бързо въртене в полет. С тези "въртящи се перки" ракетите стават много по-стабилни, но този дизайн създава повече влачене и ограничава обхвата на ракетата.

Теглото на ракетата е критичен фактор за производителност и обхват. Оригиналната стрелкова стрела добави твърде много мъртво тегло към ракетата и следователно значително ограничи нейния обсег. С началото на съвременната ракета през 20 век се търсят нови начини за подобряване на стабилността на ракетата и в същото време намаляване на общото тегло на ракетата. Отговорът беше разработването на активни контроли.

Активните системи за управление включваха лопатки, подвижни перки, канари, накрайници, ракети с потници, инжектиране на гориво и ракети.

Накланящите се перки и канарчета са доста сходни помежду си на външен вид - единствената реална разлика е тяхното местоположение върху ракетата. Канарите са монтирани в предния край, докато накланящите се перки са отзад. По време на полет перките и канардите се накланят като рул, за да отклонят въздушния поток и да накарат ракетата да промени курса. Сензорите за движение на ракетата откриват непредвидени промени в посоката и корекции могат да бъдат направени чрез леко наклоняване на перките и канардите. Предимството на тези две устройства е техният размер и тегло. Те са по-малки и по-леки и произвеждат по-малко влачене от големите перки.

Други активни системи за контрол могат да премахнат напълно перките и канарчетата. Промените в курса могат да бъдат направени при полет, като наклоните ъгъла, под който отработените газове напускат двигателя на ракетата. Няколко техники могат да се използват за промяна на посоката на отработените газове. Лопатките са малки финикови устройства, поставени вътре в ауспуха на ракетния двигател. Накланянето на лопатките отклонява отработените газове и чрез реакция на действие ракетата реагира, като сочи обратния начин.

Друг метод за промяна на посоката на отработените газове е да наклоните дюза. Накрайник с конусообразно покритие е този, който може да се люлее, докато през него преминават отработените газове. Накланяйки дюзата на двигателя в правилната посока, ракетата реагира чрез промяна на курса.

Ракетите Vernier могат да се използват и за промяна на посоката. Това са малки ракети, монтирани от външната страна на големия двигател. Те стрелят, когато е необходимо, предизвиквайки желаната промяна на курса.

В космоса само въртенето на ракетата по оста на ролката или използването на активни контроли, включващи ауспуха на двигателя, може да стабилизира ракетата или да промени посоката му. Перките и канарчетата няма какво да работят без въздух. Научнофантастичните филми, показващи ракети в космоса с крила и перки, са дълги на фантастиката и къси на науката. Най-често срещаните видове активни контроли, използвани в космоса, са ракети за контрол на позицията. Малки струпвания на двигатели са монтирани навсякъде около превозното средство. С изстрелването на правилната комбинация от тези малки ракети автомобилът може да бъде обърнат във всяка посока. Веднага след като са насочени правилно, основните двигатели стрелят, изпращайки ракетата в новата посока.

Най- маса на ракета е друг важен фактор, влияещ върху нейните характеристики. Това може да направи разликата между успешен полет и въртене наоколо на стартовата площадка. Ракетният двигател трябва да създаде тяга, която е по-голяма от общата маса на превозното средство, преди ракетата да напусне земята. Ракета с много ненужна маса няма да бъде толкова ефективна, колкото тази, която е подрязана само на голите нужди. Общата маса на превозното средство трябва да бъде разпределена, следвайки тази обща формула за идеална ракета:

• Деветдесет и един процент от общата маса трябва да бъдат горивни.
• Три процента трябва да са резервоари, двигатели и перки.
• Полезният товар може да представлява 6 процента. Полезните товари могат да бъдат спътници, астронавти или космически кораби, които ще пътуват до други планети или луни.

При определяне на ефективността на ракетния дизайн, ракетите говорят като масова част или „MF“. Масата на ракетните горива, разделени на общата маса на ракетата, дават масова част: MF = (маса на горивата) / (обща маса)

В идеалния случай масовата част на ракетата е 0,91. Човек може да си помисли, че MF от 1.0 е перфектен, но тогава цялата ракета не би била нищо повече от буца горива, които ще се запалят в огнена топка. Колкото по-голям е MF номерът, толкова по-малко полезен товар може да носи ракетата. Колкото по-малък е MF номерът, толкова по-малък става неговият обхват. MF число от 0,91 е добър баланс между способността за пренасяне на полезен товар и обхвата.

Космическият совал има MF от приблизително 0,82. MF варира между различните орбити в флота на космическите совалки и с различните тегла на полезния товар за всяка мисия.

Ракетите, които са достатъчно големи, за да пренасят космически кораби в космоса, имат сериозни проблеми с теглото. Необходимо е голямо количество гориво, за да достигнат космоса и да намерят правилни орбитални скорости. Следователно резервоарите, двигателите и свързаният с тях хардуер стават по-големи. До един момент по-големите ракети летят по-далеч от по-малките ракети, но когато станат твърде големи, структурите им ги претеглят твърде много. Масовата част се намалява до невъзможно число.

Решение на този проблем може да бъде кредитирано от производителя на фойерверки от 16 век Йохан Шмидлап. Той прикрепи малки ракети към върха на големите. Когато голямата ракета се изчерпа, корпусът на ракетата беше изпуснат отзад, а останалата ракета се изстреля. Постигнати са много по-голяма надморска височина. Тези ракети, използвани от Schmidlap, бяха наречени стъпка ракети.

Днес тази техника за изграждане на ракета се нарича стадиране. Благодарение на постановката стана възможно не само да достигне космическото пространство, но и Луната и други планети. Космическият совал следва принципа на стъпка ракета, като изхвърля своите твърди ракетни усилватели и външен резервоар, когато те са изтощени от гориво.