Kuinka lennonohjausjärjestelmät vakauttavat raketteja

Tehokkaan rakettimoottorin rakentaminen on vain osa ongelmaa. raketti on myös oltava vakaa lennossa. Vakaa raketti on sellainen, joka lentää tasaiseen, tasaiseen suuntaan. Epävakaa raketti lentää epätasaista polkua pitkin, kallistuen tai muuttaessa suuntaa. Epävakaat raketit ovat vaarallisia, koska ei ole mahdollista ennustaa, mihin ne menevät - ne saattavat jopa kääntyä ylösalaisin ja suuntautua yhtäkkiä suoraan laukaisupaneelille.

Kaikella aineella on piste, jota kutsutaan massan keskukseksi tai “CM”, riippumatta sen koosta, massasta tai muodosta. Massan keskipiste on tarkka kohta, jossa esineen koko massa on tasapainossa.

Voit helposti löytää esineen - kuten viivaimen - massakeskuksen tasapainottamalla sitä sormella. Jos viivoittimen valmistukseen käytetty materiaali on tasapaksuista ja tiheydeltään, massakeskuksen tulisi olla sauvan toisen pään ja puolivälin puolivälissä. CM ei enää olisi keskellä, jos raskas kynsi ajettaisiin yhteen sen päihin. Tasapainokohta olisi lähempänä kynnen loppua.

CM on tärkeä rakettien lennossa, koska epävakaa raketti romahti tämän pisteen ympäri. Itse asiassa kaikki lennossa olevat esineet yleensä romahtavat. Jos heität tikkua, se putoaa loppua kohti. Heitä pallo ja se pyörii lennossa. Pyöritys tai kompasto vakauttaa esineen lennossa. Frisbee menee minne haluat, vain jos heität sen tarkoituksellisella spinillä. Kokeile heittää Frisbee pyörittämättä sitä ja huomaat, että se lentää epätavallisella polulla ja jää kaukana merkinnästään, jos pystyt edes heittämään sitä ollenkaan.

Pyöritys tai laskuminen tapahtuu yhden tai useamman kolmen akselin ympäri lennossa: rulla, nousu ja suunta. Kohta, jossa kaikki nämä kolme akselia leikkaavat, on massan keskipiste.

Kaltevuus- ja suunta-akselit ovat tärkeimmät raketin lennossa, koska mikä tahansa liikkuminen kumpaankin näistä suunnista voi aiheuttaa raketin menemisen tieltä. Vieriakseli on vähiten tärkeä, koska liikkuminen tätä akselia pitkin ei vaikuta lentotielle.

Itse asiassa vierintäliike auttaa vakauttamaan rakettia samalla tavalla kuin oikein ohitettu jalkapallo vakautetaan pyörittämällä tai kiertämällä sitä lennon aikana. Vaikka huonosti kuljettu jalkapallo voi silti lentää merkilleen, vaikka se putoaisi pikemminkin kuin rullaa, rakettia ei. Jalkapallopelin toiminta-reaktioenergia kuluttaa kokonaan heti, kun pallo jättää kätensä. Rakettien avulla moottorin työntövoima syntyy edelleen raketin ollessa lennossa. Epävakaat liikkeet nousun ja suuntausakselien suhteen aiheuttavat raketin poistumisen suunnitellulta kurssilta. Ohjausjärjestelmää tarvitaan epävakaiden liikkeiden estämiseksi tai ainakin minimoimiseksi.

Toinen tärkeä keskus, joka vaikuttaa raketin lentoon, on sen painekeskus tai ”CP”. Painekeskipiste esiintyy vain, kun ilma virtaa liikkuvan raketin ohi. Tämä virtaava ilma, joka hankaa ja työntää raketin ulkopintaa vastaan, voi aiheuttaa sen, että se alkaa liikkua yhden kolmesta akselistaan.

Ajattele sääsiipiä, nuolenmuotoista sauvaa, joka on asennettu katolle ja jota käytetään tuulen suunnan kertomiseen. Nuoli on kiinnitetty pystysauvaan, joka toimii kääntöpisteenä. Nuoli on tasapainossa, joten massakeskipiste on oikeassa kääntöpisteessä. Tuulen puhaltaessa nuoli kääntyy ja nuolen pää osoittaa tulevalle tuulelle. Nuolen häntä osoittaa myötäsuunnan suuntaan.

tuuliviiri nuoli osoittaa tuuliin, koska nuolen pyrstöllä on paljon suurempi pinta-ala kuin nuolenpäällä. Virtaava ilma antaa suuremman voiman häntälle kuin pää, joten häntä työnnetään pois. Nuolessa on piste, jossa pinta-ala on sama toisella puolella. Tätä pistettä kutsutaan paineen keskukseksi. Paineen keskipiste ei ole samassa paikassa kuin massakeskipiste. Jos se olisi, niin tuuli ei suosinut kumpaakaan nuolen päätä. Nuoli ei osoita. Painekeskipiste on massakeskipisteen ja nuolen loppupään välillä. Tämä tarkoittaa, että hännän pään pinta-ala on enemmän kuin pään.

Raketin painekeskipisteen on sijaittava kohti häntää. Massan keskipisteen on sijaittava kohti nenää. Jos ne ovat samassa paikassa tai hyvin lähellä toisiaan, raketti on epävakaa lennon aikana. Se yrittää pyöriä massan keskipisteen kohdalla ja kääntymisakselilla, jolloin syntyy vaarallinen tilanne.

Raketin vakaan tekeminen vaatii jonkinlaista ohjausjärjestelmää. Rakettien ohjausjärjestelmät pitävät raketin vakaana lennon aikana ja ohjaavat sitä. Pienet raketit vaativat yleensä vain vakauttavan ohjausjärjestelmän. Suuret raketit, kuten ne, jotka laukaisevat satelliitit kiertoradalle, vaativat järjestelmän, joka ei vain vakauta rakettia, vaan myös mahdollistaa sen muuttaa kurssia lennon aikana.

Rakettien ohjaukset voivat olla joko aktiivisia tai passiivisia. Passiiviset säätimet ovat kiinteitä laitteita, jotka pitävät raketit vakaina niiden läsnäolon vuoksi raketin ulkopinnalla. Aktiivista ohjainta voidaan siirtää raketin lennon aikana veneen vakauttamiseksi ja ohjaamiseksi.

Kaikista passiivisimmista säädöistä yksinkertaisin on sauva. Kiinalainen palo-nuolet olivat yksinkertaisia ​​sauvoja, jotka oli kiinnitetty sauvojen päihin ja jotka pitivät painekeskipisteen massakeskuksen takana. Palo-nuolet olivat tunnetusti epätarkkoja tästä huolimatta. Ilman piti virtata raketin ohi, ennen kuin painekeskipiste voi tulla voimaan. Kun nuoli on edelleen maassa ja liikkumattomana, se voi kaatautua ja ampua väärään suuntaan.

Palo-nuolien tarkkuutta parannettiin huomattavasti vuotta myöhemmin asentamalla ne oikeaan suuntaan suuntautuneeseen kouruun. Kaukalo ohjasi nuolta, kunnes se liikkui riittävän nopeasti tullakseen itsestään vakaaksi.

Toinen tärkeä parannus rokkeissa tapahtui, kun sauvat korvattiin kevyiden evien rypäleillä, jotka oli asennettu alaosan ympärille suuttimen lähellä. Hienot voitaisiin tehdä kevyistä materiaaleista ja olla virtaviivaisia. He antoivat raketteille tikkamaisen ulkonäön. Evien suuri pinta-ala piti painekeskuksen helposti massakeskuksen takana. Jotkut kokeilijat jopa taivuttivat evien alapäät pyörän avulla nopean kehrämisen edistämiseksi lennossa. Näiden "spin-evien" avulla raketit muuttuvat paljon vakaammiksi, mutta tämä malli tuotti enemmän vetoa ja rajoitti raketin kantamaa.

Raketin paino on kriittinen tekijä suorituskyvyssä ja kantama-alueella. Alkuperäinen palo-nuolikeppi lisäsi rakettiin liian paljon omapainoa ja rajoitti sen vuoksi sen kantamaa huomattavasti. 1900-luvun alussa, kun moderni rakettimateriaali alkoi, etsittiin uusia tapoja parantaa rakettien vakautta ja samalla vähentää rakettien kokonaispainoa. Vastaus oli aktiivisen valvonnan kehittäminen.

Aktiivisiin ohjausjärjestelmiin sisältyivät siivet, siirrettävät evät, kynttilät, kierteitetyt suuttimet, vernierraketit, polttoaineen ruiskutus ja asennon säätöraketit.

Kallistettavat evät ja kaarret ovat ulkonäöltään melko samankaltaisia ​​- ainoa todellinen ero on niiden sijainti raketissa. Kynttilät on asennettu etuosaan, kun taas kallistettavat evät ovat takana. Lennon aikana evät ja kyynärpäät kallistuvat kuin peräsimet poikkeamaan ilmavirrasta ja aiheuttavat raketin vaihtavan kurssin. Raketin liikeanturit havaitsevat suunnittelemattomat suunnanmuutokset, ja korjaukset voidaan tehdä kallistamalla eviä ja kaarevia osia hieman. Näiden kahden laitteen etuna on niiden koko ja paino. Ne ovat pienempiä ja kevyempiä ja tuottavat vähemmän vetoa kuin suuret evät.

Muut aktiiviset ohjausjärjestelmät voivat eliminoida evät ja sydämet kokonaan. Kurssimuutokset voidaan tehdä lennossa kallistamalla kulmaa, jossa pakokaasu lähtee raketin moottorista. Pakokaasun suunnan muuttamiseen voidaan käyttää useita tekniikoita. Siivet ovat pieniä finlike-tyyppisiä laitteita, jotka on sijoitettu rakettimoottorin pakokaasujen sisään. Siipien kallistus suuntaa pakokaasun, ja toiminta-reaktiolla raketti reagoi osoittamalla päinvastaiseen suuntaan.

Toinen menetelmä pakokaasun suunnan muuttamiseksi on puristaa suutin. Koristeellinen suutin on se, joka pystyy heilumaan, kun pakokaasut kulkevat sen läpi. Kääntämällä moottorin suutinta oikeaan suuntaan raketti reagoi muuttamalla kurssia.

Vernier-raketteja voidaan käyttää myös suunnan muuttamiseen. Nämä ovat pieniä raketteja, jotka on asennettu suuren moottorin ulkopuolelle. Ne tulevat tarvittaessa tuottaen halutun kurssimuutoksen.

Avaruudessa vain raketin pyörittäminen rulla-akselia pitkin tai käyttämällä aktiivisia säätimiä, joihin kuuluu moottorin pakokaasu, voi vakauttaa raketin tai muuttaa sen suuntaa. Hienoilla ja rypytöillä ei ole mitään työtä ilman ilmaa. Tieteiskirjailmat, jotka osoittavat raketteja avaruudessa siipien ja evien kanssa, ovat kauan fiktioita ja lyhyitä tieteitä. Avaruudessa käytetyt yleisimmät aktiiviset ohjaimet ovat asennonhallintaraketit. Pienet moottoriryhmät on asennettu ympäri ajoneuvoa. Ammuttamalla näiden pienten rakettien oikea yhdistelmä, ajoneuvoa voidaan kääntää mihin tahansa suuntaan. Heti kun ne on kohdistettu oikein, päämoottorit ampuvat, lähettäen raketin uuteen suuntaan.

massa raketin osuus on toinen tärkeä tekijä, joka vaikuttaa sen suorituskykyyn. Se voi tehdä eron onnistuneen lennon ja kantorakeilla kiertämisen välillä. Rakettimoottorin on tuotettava työntövoima, joka on suurempi kuin ajoneuvon kokonaismassa, ennen kuin raketti voi poistua maasta. Rakettia, jossa on paljon tarpeetonta massaa, ei ole yhtä tehokas kuin se, joka on leikattu vain paljaalle välttämättömyydelle. Ajoneuvon kokonaismassa tulisi jakaa seuraavan ideaalisen raketin yleisen kaavan mukaisesti:

• Yhdeksänkymmenenyhden prosentin osuus kokonaismassasta tulisi olla ponneaineita.
• Kolme prosenttia tulisi olla säiliöitä, moottoreita ja eviä.
• Hyötykuorman osuus voi olla 6 prosenttia. Hyötykuormat voivat olla satelliitteja, astronauteja tai avaruusaluksia, jotka matkustavat muille planeetoille tai kuille.

Rakettisuunnittelun tehokkuutta määritellessään rakettilaiset puhuvat massaosuuden tai ”MF” -määräisinä. Massan raketin ponneaineet jaettuna raketin kokonaismassalla antaa massaosuuden: MF = (ponneaineiden massa) / (kokonaismassa)

Ihannetapauksessa raketin massaosuus on 0,91. Voitaisiin ajatella, että MF 1,0 on täydellinen, mutta silloin koko raketti olisi vain potkut, jotka syttyvät tulipalloksi. Mitä suurempi MF-numero on, sitä vähemmän hyötykuorma raketti voi kuljettaa. Mitä pienempi MF-luku on, sitä pienemmäksi sen alue muuttuu. MF-luku 0,91 on hyvä tasapaino hyötykuormankantokyvyn ja -alueen välillä.

Avaruussukkulan MF on noin 0,82. MF vaihtelee Space Shuttle -laivaston eri kiertäjien välillä ja kunkin operaation eri hyötykuorman painojen välillä.

Raketeilla, jotka ovat riittävän suuria kuljettamaan avaruusaluksia avaruuteen, on vakavia paino-ongelmia. Niiden saavuttamiseksi avaruuteen ja sopivien kiertonopeuksien löytämiseksi tarvitaan paljon ponneaineita. Siksi säiliöt, moottorit ja niihin liittyvät laitteistot kasvavat. Pisteeseen saakka suuret raketit lentävät kauemmas kuin pienemmät raketit, mutta kun niistä tulee liian suuria, niiden rakenteet punnitsevat niitä liikaa. Massaosuus pienennetään mahdottomaan lukuun.

Ratkaisun tähän ongelmaan voidaan myöntää 1500-luvun ilotulitusvalmistajalle Johann Schmidlapille. Hän kiinnitti pienet raketit isojen yläosaan. Kun iso raketti oli käytetty loppuun, raketin kotelo pudotettiin taaksepäin ja jäljellä oleva raketti ampui. Saavutettiin paljon korkeampia korkeuksia. Näitä Schmidlapin käyttämiä raketteja kutsuttiin porraskeleiksi.

Tätä raketin rakennustekniikkaa kutsutaan nykyään lavastukseksi. Lavastusten ansiosta on tullut mahdollista päästä paitsi avaruuteen myös kuuhun ja muihin planeettoihin. Avaruussukkula noudattaa askelrakettien periaatetta pudottamalla kiinteät rakettien vahvistimet ja ulkoinen säiliö, kun ne ovat kuluneet potkuaineisiin.