Hvordan flykontrollsystemer stabiliserer raketter

Å bygge en effektiv rakettmotor er bare en del av problemet. De rakett må også være stabil i flukt. En stabil rakett er en som flyr i en jevn, ensartet retning. En ustabil rakett flyr langs en uberegnelig sti, noen ganger tumler eller skifter retning. Ustabile raketter er farlige fordi det ikke er mulig å forutsi hvor de vil - de kan til og med snu opp ned og plutselig ta turen direkte tilbake til lanseringsputen.

All materie har et punkt inne som kalles massesenteret eller "CM", uansett størrelse, masse eller form. Massesenteret er det nøyaktige stedet der all massen til objektet er perfekt balansert.

Du kan enkelt finne massesenteret til en gjenstand - for eksempel en linjal - ved å balansere den på fingeren. Hvis materialet som brukes til å lage linjalen er av ensartet tykkelse og tetthet, bør massesenteret være midtveis mellom den ene enden av pinnen og den andre. CM ville ikke lenger være i midten hvis en tung spiker ble drevet inn i en av endene. Balansepunktet ville være nærmere slutten med spikeren.

CM er viktig i rakettflukt fordi en ustabil rakett ramler rundt dette punktet. Faktisk har enhver gjenstand i flukt en tendens til å velte. Hvis du kaster en pinne, vil den velte ende over ende. Kast en ball, og den snurrer på flukt. Handlingen med å snurre eller tumle stabiliserer et objekt i flukten. En frisbee vil dra dit du vil ha den bare hvis du kaster den med et bevisst spinn. Prøv å kaste en frisbee uten å snurre den, og du vil oppdage at den flyr i en uberegnelig bane og faller langt under merket hvis du til og med kan kaste den.

Spinning eller tumbling foregår rundt en eller flere av tre økser i flukten: rull, stigning og giring. Poenget der alle disse tre aksene krysser hverandre er massesenteret.

Stig- og giraksene er de viktigste i rakettflukt fordi enhver bevegelse i en av disse to retningene kan føre til at raketten går av kurs. Rulleaksen er minst viktig fordi bevegelse langs denne aksen ikke vil påvirke flyveien.

Faktisk vil en rullende bevegelse bidra til å stabilisere raketten på samme måte som en riktig passert fotball blir stabilisert ved å rulle eller spiralere den under flukt. Selv om en dårlig passert fotball fortsatt kan fly til sitt preg selv om den velter snarere enn ruller, vil en rakett ikke. Handlingsreaksjonsenergien til en fotballpasning blir helt brukt av kasteren i det øyeblikket ballen forlater hånden. Med raketter produseres fremdeles skyvekraft fra motoren mens raketten er på flukt. Ustabile bevegelser rundt tonehøyde og girakser vil føre til at raketten forlater den planlagte banen. Et kontrollsystem er nødvendig for å forhindre eller i det minste minimere ustabile bevegelser.

Et annet viktig senter som påvirker en rakets flukt, er trykksenteret eller "CP". Pressesenteret eksisterer bare når det strømmer luft forbi den bevegelige raketten. Denne flytende luften, hvis du gnir og skyver mot den ytre overflaten av raketten, kan føre til at den begynner å bevege seg rundt en av de tre aksene.

Tenk på en værvinge, en pillignende pinne montert på et tak og brukes til å fortelle vindretning. Pilen er festet til en vertikal stang som fungerer som et dreiepunkt. Pilen er balansert slik at massesenteret er rett ved dreiepunktet. Når vinden blåser, snur pilen og pilens hode peker i den kommende vinden. Pilens hale peker i motvindretning.

EN vær vane pil peker i vinden fordi pilens hale har et mye større overflate enn pilspissen. Den strømmende luften gir en større kraft til halen enn hodet slik at halen skyves vekk. Det er et punkt på pilen der overflateområdet er det samme på den ene siden som den andre. Dette stedet kalles pressens sentrum. Pressesenteret er ikke på samme sted som massesenteret. Hvis det var det, ville ingen av pilens ender bli foretrukket av vinden. Pilen ville ikke peke. Trykkpunktet er mellom massesenteret og pilens bakenden. Dette betyr at halens ende har mer overflate enn hodet.

Trykkpunktet i en rakett må være plassert mot halen. Massesenteret må være plassert mot nesen. Hvis de er på samme sted eller veldig nær hverandre, vil raketten være ustabil under flukt. Den vil prøve å rotere rundt massesenteret i stigningen og giraksene, og gi en farlig situasjon.

Å gjøre en rakett stabil, krever en form for kontrollsystem. Kontrollsystemer for raketter holder en rakett stabil under flyging og styrer den. Små raketter krever vanligvis bare et stabiliserende kontrollsystem. Store raketter, som de som skyt satellitter inn i bane, krever et system som ikke bare stabiliserer raketten, men også gjør det mulig å endre kurs mens du er på flukt.

Kontroller på raketter kan være enten aktive eller passive. Passive kontroller er faste enheter som holder raketter stabilisert av selve tilstedeværelsen på utsiden av raketten. Aktive kontroller kan flyttes mens raketten er på flukt for å stabilisere og styre farkosten.

Den enkleste av alle passive kontroller er en pinne. kinesisk brannpiler var enkle raketter montert på endene av pinner som holdt trykksenteret bak massesenteret. Brannpiler var notorisk unøyaktige til tross for dette. Luft måtte strømme forbi raketten før pressens sentrum kunne tre i kraft. Mens du fortsatt er på bakken og er ubevegelig, kan pilen lure og skyte feil vei.

Nøyaktigheten til brannpiler ble forbedret betraktelig år senere ved å montere dem i et bunn rettet i riktig retning. Rennen ledet pilen til den beveget seg raskt nok til å bli stabil på egen hånd.

En annen viktig forbedring i rakettarbeidet kom da pinner ble erstattet av klynger med lette svømmeføtter montert rundt den nedre enden nær dysen. Fins kunne være laget av lette materialer og være strømlinjeformet i form. De ga raketter et piltlignende utseende. Det store overflatearealet til finnene holdt lett trykksenteret bak massesenteret. Noen eksperimenter bøyde til og med de nedre spissene av finnene på en pinwheel-måte for å fremme hurtig spinning under flukt. Med disse "spin-finnene" blir rakettene mye mer stabile, men dette designet ga mer drag og begrenset rakettens rekkevidde.

Vekten av raketten er en kritisk faktor i ytelse og rekkevidde. Den originale brannpilen festet raketten for mye dødvekt og begrenset derfor rekkevidden betydelig. Med begynnelsen av moderne rakett på 1900-tallet ble det søkt nye måter å forbedre rakettstabiliteten og samtidig redusere den samlede rakettvekten. Svaret var utviklingen av aktive kontroller.

Aktive kontrollsystemer inkluderte skovler, bevegelige svømmeføtter, canards, gimbaled dyser, vernierraketter, drivstoffinnsprøytning og attitude-control raketter.

Vippefinner og canards er ganske like hverandre i utseende - den eneste virkelige forskjellen er deres beliggenhet på raketten. Canards er montert på fronten mens vippefinner er bak. I flukt vipper finnene og kanardene som ror for å avlede luftstrømmen og få raketten til å endre kurs. Bevegelsessensorer på raketten oppdager ikke planlagte retningsendringer, og korrigeringer kan gjøres ved å vippe svømmeføtter og canards litt. Fordelen med disse to enhetene er deres størrelse og vekt. De er mindre og lettere og gir mindre dra enn store finner.

Andre aktive kontrollsystemer kan eliminere fener og canards helt. Kursendringer kan gjøres under flyging ved å vippe vinkelen eksosgassen forlater rakettmotoren. Flere teknikker kan brukes for å endre eksosretning. Skovler er små finlignende enheter plassert i eksosen fra rakettmotoren. Å vippe skovlene avleder avtrekket, og ved reaksjonsreaksjon reagerer raketten ved å peke motsatt vei.

En annen metode for å endre eksosretningen er å kvise munnstykket. En gimbaled dyse er en som er i stand til å svinge mens avgasser passerer gjennom den. Ved å vippe motorens dyse i riktig retning, svarer raketten ved å endre kurs.

Vernierraketter kan også brukes til å endre retning. Dette er små raketter montert på utsiden av den store motoren. De avfyrer ved behov og produserer ønsket kursendring.

I verdensrommet er det bare å snurre raketten langs rulleaksen eller bruke aktive kontroller som involverer motorens eksos, kan stabilisere raketten eller endre retning. Fins og canards har ingenting å jobbe med uten luft. Science fiction-filmer som viser raketter i verdensrommet med vinger og svømmeføtter er lange på skjønnlitteratur og kort på vitenskap. De vanligste typene aktive kontroller som brukes i verdensrommet er holdningskontrollraketter. Små klynger av motorer er montert rundt hele bilen. Ved å skyte av den rette kombinasjonen av disse små rakettene, kan kjøretøyet dreies i alle retninger. Så snart de er rettet riktig, skyter hovedmotorene av og sender raketten i den nye retningen.

De masse av en rakett er en annen viktig faktor som påvirker dens ytelse. Det kan utgjøre en forskjell mellom en vellykket flytur og å svøpe seg rundt på lanseringsplaten. Rakettmotoren må produsere et skyvekraft som er større enn kjøretøyets totale masse før raketten kan forlate bakken. En rakett med mye unødvendig masse vil ikke være så effektiv som en som er trimmet til bare det vesentlige. Kjøretøyets totale masse skal fordeles etter denne generelle formelen for en ideell rakett:

• Nitti prosent av den totale massen skal være drivmidler.
• Tre prosent skal være tanker, motorer og finner.
• Nyttelast kan utgjøre 6 prosent. Nyttelast kan være satellitter, astronauter eller romfartøy som skal reise til andre planeter eller måner.

I å bestemme effektiviteten til en rakettdesign, snakker raketer i form av massefraksjon eller "MF." Massen til rakets drivmidler delt på rakettens totale masse gir massefraksjon: MF = (Mass of Propellants) / (Total Mass)

Helst er massefraksjonen av en rakett 0,91. Man kan tro at en MF på 1.0 er perfekt, men da ville hele raketten ikke være noe mer enn en klump drivmidler som ville tenne inn i en ildkule. Jo større MF-nummer, jo mindre nyttelast kan raketten bære. Jo mindre MF-nummer, jo mindre blir rekkevidden. Et MF-nummer på 0,91 er en god balanse mellom bæreevne og rekkevidde for nyttelast.

Space Shuttle har en MF på omtrent 0,82. MF varierer mellom de forskjellige banerne i romfergen-flåten og med de forskjellige nyttelastvektene til hvert oppdrag.

Raketter som er store nok til å frakte romfartøyer ut i verdensrommet har alvorlige vektproblemer. Det trengs mye drivmiddel for at de skal kunne nå plass og finne rette banehastigheter. Derfor blir tankene, motorene og tilhørende maskinvare større. Opp til et punkt flyr større raketter lenger enn mindre raketter, men når de blir for store, veier strukturen dem ned for mye. Massefraksjonen reduseres til et umulig antall.

En løsning på dette problemet kan godskrives fyrverkeri-produsenten Johann Schmidlap fra 1500-tallet. Han festet små raketter på toppen av store. Da den store raketten var utmattet, ble rakettforingsrøret falt bak og den gjenværende raketten avfyrt. Mye større høyder ble oppnådd. Disse rakettene som ble brukt av Schmidlap ble kalt trinnraketter.

I dag kalles denne teknikken for å bygge en rakett iscenesettelse. Takket være iscenesettelse har det blitt mulig ikke bare å nå det ytre rom, men også månen og andre planeter. Space Shuttle følger trinnrakettprinsippet ved å slippe av sine solide rakettforsterker og eksterne tank når de er utslitte av drivmidler.