Как системы управления полетом стабилизируют ракеты

Создание эффективного ракетного двигателя - это только часть проблемы. ракета также должен быть стабильным в полете. Стабильная ракета - это та, которая летит в плавном, равномерном направлении. Нестабильная ракета летит по неустойчивой траектории, иногда кувыркаясь или меняя направление. Нестабильные ракеты опасны, потому что невозможно предсказать, куда они пойдут - они могут даже перевернуться и внезапно вернуться прямо к стартовой площадке.

Вся материя имеет точку внутри, называемую центром масс или «CM», независимо от ее размера, массы или формы. Центр масс является точным местом, где вся масса этого объекта идеально сбалансирована.

Вы можете легко найти центр масс объекта - например, линейки - уравновесив его на своем пальце. Если материал, из которого изготовлена ​​линейка, имеет одинаковую толщину и плотность, центр масс должен находиться на полпути между одним концом стержня и другим. CM больше не будет в середине, если в один из его концов вонзится тяжелый гвоздь. Точка равновесия будет ближе к концу с гвоздем.

CM важен в полете ракеты, потому что нестабильная ракета падает вокруг этой точки. Фактически, любой объект в полете имеет тенденцию к падению. Если вы бросите палку, она упадет с конца на конец. Бросай мяч, и он вращается в полете. Акт вращения или кувыркания стабилизирует объект в полете. Фрисби пойдет туда, куда вы хотите, только если вы бросите его с преднамеренным вращением. Попробуйте бросить Фрисби, не вращая его, и вы обнаружите, что он летит по ошибочному пути и далеко не достигает своей отметки, если вы вообще можете бросить его.

Вращение или кувыркание происходит вокруг одной или нескольких из трех осей в полете: крен, наклон и рыскание. Точка, где пересекаются все эти три оси, является центром масс.

Оси тангажа и рыскания являются наиболее важными в полете ракеты, потому что любое движение в любом из этих двух направлений может вызвать отклонение ракеты от курса. Ось крена наименее важна, потому что движение по этой оси не повлияет на траекторию полета.

Фактически, вращательное движение поможет стабилизировать ракету таким же образом, как правильно пропущенный мяч стабилизируется путем его вращения или закручивания в полете. Хотя плохо пройденный футбол все еще может лететь до своей отметки, даже если он падает, а не катится, ракета не будет. Энергия действия-реакции футбольного паса полностью расходуется метателем в тот момент, когда мяч покидает его руку. С ракетами тяга от двигателя все еще произведена, в то время как ракета находится в полете. Нестабильные движения вокруг осей тангажа и рыскания заставят ракету покинуть запланированный курс. Система контроля необходима для предотвращения или, по крайней мере, минимизации неустойчивых движений.

Другим важным центром, который влияет на полет ракеты, является ее центр давления или «СР». Центр давления существует только тогда, когда воздух движется мимо движущейся ракеты. Этот поток воздуха, растирающий и толкающий внешнюю поверхность ракеты, может привести к тому, что он начнет двигаться вокруг одной из трех своих осей.

Подумайте о флюгере, подобной стрелке палочке, установленной на крыше и используемой для определения направления ветра. Стрелка прикреплена к вертикальному стержню, который действует как точка поворота. Стрелка сбалансирована, поэтому центр масс находится прямо в точке поворота. Когда дует ветер, стрелка поворачивается, и головка стрелки указывает на встречный ветер. Хвост стрелки указывает в направлении по ветру.

флюгер стрелка указывает на ветер, потому что хвост стрелки имеет гораздо большую площадь поверхности, чем наконечник стрелки. Поток воздуха придает хвосту большую силу, чем голове, поэтому хвост отталкивается. На стрелке есть точка, где площадь поверхности на одной стороне совпадает с другой. Это место называется центром давления. Центр давления находится не в том же месте, что и центр масс. Если бы это было так, то ни один конец стрелки не был бы предпочтен ветром. Стрелка не будет указывать. Центр давления находится между центром масс и хвостовым концом стрелки. Это означает, что хвостовой конец имеет большую площадь поверхности, чем головной конец.

Центр давления в ракете должен быть расположен в направлении хвоста. Центр масс должен быть расположен к носу. Если они находятся в одном месте или очень близко друг к другу, ракета будет нестабильной в полете. Он будет пытаться вращаться вокруг центра масс в осях тангажа и рыскания, создавая опасную ситуацию.

Для обеспечения устойчивости ракеты требуется некоторая система управления. Системы управления ракетами обеспечивают устойчивость ракеты в полете и управление ею. Маленькие ракеты обычно требуют только стабилизирующей системы управления. Большие ракеты, такие как те, которые запускают спутники на орбиту, требуют системы, которая не только стабилизирует ракету, но и позволяет ей менять курс во время полета.

Управление на ракетах может быть как активным, так и пассивным. Пассивные элементы управления - это стационарные устройства, которые поддерживают ракеты стабилизированными благодаря их присутствию на внешней стороне ракеты. Активные элементы управления можно перемещать во время полета ракеты, чтобы стабилизировать и управлять кораблем.

Самым простым из всех пассивных средств управления является палка. Китайский огненные стрелы были простые ракеты, установленные на концах палок, которые держали центр давления позади центра масс. Несмотря на это, огненные стрелы были заведомо неточными. Воздух должен был пройти мимо ракеты, прежде чем центр давления мог вступить в силу. Пока стрела лежит на земле и неподвижна, стрела может покачнуться и выстрелить не в ту сторону.

Точность огненных стрел значительно улучшилась спустя годы, установив их в желоб, направленный в правильном направлении. Корыто направляло стрелу, пока она не двигалась достаточно быстро, чтобы стать устойчивой самостоятельно.

Другое важное усовершенствование ракетной техники произошло, когда палочки были заменены группами легких плавников, установленных вокруг нижнего конца около сопла. Ребра могут быть изготовлены из легких материалов и иметь обтекаемую форму. Ракеты выглядели как дротики. Большая площадь поверхности ребер легко удерживала центр давления за центром масс. Некоторые экспериментаторы даже сгибали нижние концы плавников, чтобы обеспечить быстрое вращение в полете. С этими «вращающимися ребрами» ракеты становятся намного более стабильными, но эта конструкция создавала большее сопротивление и ограничивала радиус действия ракеты.

Вес ракеты является решающим фактором в производительности и дальности полета. Оригинальная палка с огненной стрелой добавляла слишком большой собственный вес ракете и, следовательно, значительно ограничивала ее радиус действия. С началом современной ракетной техники в 20-м веке, были найдены новые пути для улучшения устойчивости ракеты и в то же время уменьшить общий вес ракеты. Ответ заключался в разработке активного контроля.

Системы активного управления включали в себя лопасти, подвижные плавники, канареки, сопла с подвесами, ракеты-нониусные ракеты, впрыск топлива и ракеты контроля ориентации.

Наклонные плавники и слуховые аппараты по внешнему виду очень похожи - единственная реальная разница - это их расположение на ракете. Ушки установлены на переднем конце, а плавники находятся сзади. В полете ребра и утки наклоняются, как рули, чтобы отклонить поток воздуха и заставить ракету изменить курс. Датчики движения на ракете обнаруживают незапланированные изменения направления, и исправления могут быть сделаны путем небольшого наклона плавников и костей. Преимуществом этих двух устройств является их размер и вес. Они меньше и легче и производят меньшее сопротивление, чем большие плавники.

Другие системы активного управления могут полностью исключить плавники и клыки. Изменения курса могут быть сделаны в полете, наклоняя угол, под которым выхлопной газ покидает двигатель ракеты. Несколько методов могут быть использованы для изменения направления выпуска. Лопасти представляют собой небольшие плавниковые устройства, размещенные внутри выхлопа ракетного двигателя. Наклон лопаток отклоняет выхлоп, и ракета реагирует на действие, указывая противоположный путь.

Еще один метод изменения направления выпуска - это подвеска сопла. Сопло с подвеской - это то, которое может колебаться, когда через него проходят выхлопные газы. Наклоняя сопло двигателя в правильном направлении, ракета реагирует изменением курса.

Вернье ракеты также могут быть использованы для изменения направления. Это маленькие ракеты, установленные снаружи большого двигателя. Они стреляют при необходимости, производя желаемое изменение курса.

В космосе только вращение ракеты вдоль оси крена или использование активных элементов управления, включающих выхлоп двигателя, могут стабилизировать ракету или изменить ее направление. Плавникам и слухам нечем работать без воздуха. Научно-фантастические фильмы, показывающие ракеты в космосе с крыльями и плавниками, длинны в фантастике и коротки в науке. Наиболее распространенные виды активного управления, используемые в космосе, - это ракеты с контролем ориентации. Маленькие группы двигателей установлены вокруг транспортного средства. Запустив правильную комбинацию этих маленьких ракет, автомобиль можно повернуть в любом направлении. Как только они нацелены правильно, главные двигатели стреляют, отправляя ракету в новом направлении.

масса ракеты является еще одним важным фактором, влияющим на ее производительность. Это может иметь значение между успешным полетом и валянием на стартовой площадке. Ракетный двигатель должен создавать тягу, превышающую общую массу транспортного средства, прежде чем ракета сможет оторваться от земли. Ракета с большим количеством ненужной массы не будет столь же эффективной, как ракета, урезанная до самого необходимого. Общая масса транспортного средства должна распределяться по этой общей формуле для идеальной ракеты:

• Девяносто один процент от общей массы должен быть пропеллентами.
• Три процента должны быть танки, двигатели и плавники.
• Полезная нагрузка может составлять 6 процентов. Полезными грузами могут быть спутники, астронавты или космические корабли, которые будут путешествовать на другие планеты или спутники.

При определении эффективности конструкции ракеты ракеты говорят с точки зрения массовой доли или «MF». Масса Расход топлива ракеты, деленный на общую массу ракеты, дает массовую долю: MF = (масса топлива) / (общая масса)

В идеале массовая доля ракеты составляет 0,91. Кто-то может подумать, что MF 1,0 идеально, но тогда вся ракета была бы не чем иным, как горючим топливом, который загорелся бы в огненный шар. Чем больше число MF, тем меньше полезной нагрузки может нести ракета. Чем меньше число MF, тем меньше становится его диапазон. Число MF 0,91 является хорошим балансом между способностью нести полезную нагрузку и диапазоном.

Космический челнок имеет MF приблизительно 0,82. MF варьируется между различными орбитальными аппаратами во флоте «Спейс шаттл» и разными весами полезной нагрузки каждой миссии.

Ракеты, достаточно большие, чтобы нести космический корабль в космос, имеют серьезные проблемы с весом. Для того, чтобы они достигли космоса и нашли правильные орбитальные скорости, им необходимо много топлива. Поэтому баки, двигатели и соответствующее оборудование становятся больше. До некоторой степени, большие ракеты летят дальше, чем меньшие ракеты, но когда они становятся слишком большими, их конструкции слишком сильно отягощают их. Массовая доля уменьшается до невозможного числа.

Решение этой проблемы может быть приписано мастеру фейерверков 16-го века Иоганну Шмидлапу. Он прикрепил маленькие ракеты к вершине больших. Когда большая ракета была истощена, корпус ракеты упал позади, а оставшаяся ракета выстрелила. Намного большие высоты были достигнуты. Эти ракеты, используемые Шмидлапом, назывались ступенчатыми.

Сегодня эту технику построения ракеты называют постановкой. Благодаря постановке стало возможным достигать не только космического пространства, но и Луны и других планет. Спейс Шаттл следует принципу ступенчатой ​​ракеты, сбрасывая свои твердые ракетные ускорители и внешний резервуар, когда они истощены ракетным топливом.