Ako systémy riadenia letu stabilizujú rakety

Vybudovanie účinného raketového motora je iba časťou problému. raketa musí byť tiež stabilný za letu. Stabilná raketa letí hladkým a rovnomerným smerom. Nestabilná raketa letí nepravidelnou cestou, niekedy sa mení alebo mení smer. Nestabilné rakety sú nebezpečné, pretože nie je možné predvídať, kam pôjdu - môžu sa dokonca otočiť hore nohami a náhle sa vrátiť priamo k odpalovacej plošine.

Všetka hmota má vo vnútri bod nazývaný ťažisko alebo „CM“, bez ohľadu na jeho veľkosť, hmotnosť alebo tvar. Ťažisko je presné miesto, kde je všetka hmota tohto objektu dokonale vyvážená.

Ťažisko predmetu - napríklad pravítko - môžete ľahko nájsť tak, že ho vyvažujete prstom. Ak je materiál použitý na výrobu pravítka rovnomerná hrúbka a hustota, stred hmoty by mal byť v polovici bodu medzi jedným koncom paličky a druhým. KM by už nebol v strede, ak by bol ťažký klinec vnesený do jedného z jeho koncov. Bod rovnováhy by bol bližšie ku koncu s klincom.

CM je dôležitá pri raketovom lete, pretože okolo tohto bodu sa zrúti nestabilná raketa. V skutočnosti má ktorýkoľvek predmet v letu tendenciu sa zhadzovať. Ak hodíte palicu, bude to spadnúť koniec konca. Hádzať loptu a točí sa za letu. Akt rotácie alebo omieľania stabilizuje predmet počas letu. Frisbee pôjde tam, kam chcete, iba ak ho zahodíte úmyselnou rotáciou. Pokúste sa hádzať Frisbee bez roztočenia a zistíte, že letí nepravidelnou cestou a nedosahuje jeho značku, ak ho vôbec môžete hádzať.

Spinning alebo omieľanie sa uskutočňuje okolo jednej alebo viacerých z troch osí počas letu: otáčanie, rozstup a zatáčanie. Bod, kde sa všetky tri tieto osi pretínajú, je ťažiskom.

Osi sklonu a uhly sú najdôležitejšie pri letu rakety, pretože akýkoľvek pohyb v oboch týchto smeroch môže spôsobiť, že raketa vystúpi z kurzu. Os rolovania je najmenej dôležitá, pretože pohyb pozdĺž tejto osi neovplyvní dráhu letu.

Valivý pohyb v skutočnosti pomôže stabilizovať raketu rovnakým spôsobom, ako sa stabilne prešiel futbal stabilizuje tak, že sa valí alebo točí za letu. Aj keď zle prešiel futbal môže ešte stále lietať k jeho značke, aj keď sa skôr hádže než hodí, raketa nebude. Energia pôsobiaca na reakciu futbalového prihrávky je hádzačom úplne vyčerpaná v momente, keď lopta opustí ruku. Pri raketách je ťah motora stále produkovaný, zatiaľ čo je raketa v prevádzke. Nestabilné pohyby okolo stúpacích a vybočovacích osí spôsobia, že raketa opustí plánovaný smer. Na zabránenie alebo aspoň minimalizovanie nestabilných pohybov je potrebný riadiaci systém.

Ďalším dôležitým strediskom, ktoré ovplyvňuje let rakety, je jeho centrum tlaku alebo „CP“. Stred tlaku existuje iba vtedy, keď vzduch prúdi okolo pohybujúcej sa rakety. Tento prúdiaci vzduch, ktorý trie a tlačí proti vonkajšiemu povrchu rakety, môže spôsobiť, že sa začne pohybovať okolo jednej zo svojich troch osí.

Pomyslite na vetrovú lopatku, šípku podobnú tyčku namontovanú na streche a používanú na rozprávanie smeru vetra. Šípka je pripevnená k zvislej tyči, ktorá slúži ako otočný bod. Šípka je vyvážená, takže ťažisko je priamo v bode otáčania. Keď vietor fúka, šípka sa otočí a hlava šípky ukazuje na prichádzajúci vietor. Chvost šípky ukazuje v smere dole.

veterník na streche šípka ukazuje na vietor, pretože chvost šípky má oveľa väčšiu plochu povrchu ako šípka. Prúdiaci vzduch dodáva chvostu väčšiu silu ako hlava, takže chvost je tlačený preč. Na šípke je bod, kde povrchová plocha je na jednej strane rovnaká ako druhá. Toto miesto sa nazýva stred tlaku. Stred tlaku nie je na rovnakom mieste ako ťažisko. Keby to tak bolo, potom by žiadny koniec šípky nebol zvýhodňovaný vetrom. Šípka by nemala ukazovať. Stred tlaku je medzi ťažiskom a koncom šípky. To znamená, že koniec chvosta má väčšiu povrchovú plochu ako koniec hlavy.

Stred tlaku v rakete musí byť umiestnený smerom k chvostu. Stred hmoty musí byť umiestnený smerom k nosu. Ak sú na rovnakom mieste alebo veľmi blízko seba, raketa bude počas letu nestabilná. Pokúsi sa točiť okolo ťažiska hmoty v osiach stúpania a stáčania, čo vytvára nebezpečnú situáciu.

Stabilizácia rakety si vyžaduje určitú formu riadiaceho systému. Riadiace systémy pre rakety udržiavajú raketu počas letu stabilnú a usmerňujú ju. Malé rakety zvyčajne vyžadujú iba stabilizačný kontrolný systém. Veľké rakety, ako sú tie, ktoré vypúšťajú satelity na obežnú dráhu, si vyžadujú systém, ktorý nielen stabilizuje raketu, ale tiež umožňuje zmenu kurzu počas letu.

Ovládanie rakiet môže byť aktívne alebo pasívne. Pasívne kontroly sú pevné zariadenia, ktoré udržujú rakety stabilizované ich samotnou prítomnosťou na vonkajšej strane rakety. Počas letu rakety je možné pohybovať aktívnymi ovládacími prvkami, aby sa plavidlo stabilizovalo a usmernilo.

Najjednoduchšie zo všetkých pasívnych ovládacích prvkov je palica. čínsky oheň šípy boli jednoduché rakety namontované na koncoch palíc, ktoré držali stred tlaku za centrom hmoty. Napriek tomu boli ohnivé šípy notoricky nepresné. Vzduch musel prúdiť okolo rakety skôr, ako sa mohlo stať centrum tlaku. Pokiaľ je šíp stále na zemi a je nehybný, môže sa pokaziť a vystreliť zlým smerom.

Presnosť požiarnych šípov sa o mnoho rokov neskôr zlepšila ich umiestnením do žľabu, ktorý bol nasmerovaný správnym smerom. Koryto viedlo šípku, až kým sa nehýbal dostatočne rýchlo, aby sa sám ustálil.

Ďalšie dôležité zlepšenie v raketovej technike nastalo, keď palice boli nahradené zhlukami ľahkých rebier namontovaných okolo dolného konca v blízkosti dýzy. Plochy by mohli byť vyrobené z ľahkých materiálov a mali by byť tvarovo efektívne. Dali raketám podobu šípky. Veľká plocha plutiev ľahko udržiavala stred tlaku za centrom hmoty. Niektorí experimentári dokonca ohýbali spodné špičky plutiev kolískou spôsobom, aby sa podporilo rýchle otáčanie za letu. S týmito „rotačnými plutvami“ sa rakety stávajú oveľa stabilnejšími, ale tento návrh priniesol viac odporu a obmedzil dosah rakiet.

Hmotnosť rakety je kritickým faktorom výkonu a rozsahu. Pôvodná palcová šípka pridala do rakety priveľa mŕtvej váhy, a preto značne obmedzila jej dosah. So začiatkom modernej raketovej techniky v 20. storočí sa hľadali nové spôsoby, ako zlepšiť stabilitu rakiet a súčasne znížiť celkovú hmotnosť rakety. Odpoveďou bol vývoj aktívnych kontrol.

Medzi aktívne kontrolné systémy patrili lopatky, pohyblivé plutvy, kanystre, kardanové dýzy, vernierové rakety, vstrekovanie paliva a rakety na kontrolu polohy.

Vyklápacie plutvy a kanóny sú navzájom veľmi podobné - jediným skutočným rozdielom je ich umiestnenie na rakete. Dvere sú namontované na prednom konci, zatiaľ čo vyklápacie rebrá sú vzadu. Počas letu sa plutvy a klopy nakláňajú ako kormidlá, aby odklonili prúdenie vzduchu a spôsobili zmenu smeru rakety. Pohybové senzory na rakete zisťujú neplánované zmeny smeru a korekcie je možné vykonať miernym naklonením plutiev a klietok. Výhodou týchto dvoch zariadení je ich veľkosť a hmotnosť. Sú menšie a ľahšie a produkujú menej odporu ako veľké plutvy.

Iné aktívne kontrolné systémy dokážu celkom odstrániť plutvy a kardinky. Zmeny kurzu je možné vykonať za letu naklonením uhla, pod ktorým výfukový plyn opúšťa motor rakety. Na zmenu smeru výfukových plynov sa môže použiť niekoľko techník. Lopatky sú malé koncové zariadenia umiestnené vo výfukových plynoch raketového motora. Nakláňaním lopatiek sa odvádza výfuk a raketovou reakciou reaguje opačným smerom.

Inou metódou na zmenu smeru výfukových plynov je výfuková trubica. Kĺbová dýza je tryska, ktorá je schopná kývania, zatiaľ čo ňou prechádzajú výfukové plyny. Naklonením trysky motora správnym smerom raketa reaguje zmenou kurzu.

Vernierove rakety môžu byť tiež použité na zmenu smeru. Sú to malé rakety namontované na vonkajšej strane veľkého motora. V prípade potreby vystrelia a dosiahnu požadovanú zmenu kurzu.

Vo vesmíre môže raketa stabilizovať alebo zmeniť jej smer iba otáčaním rakety pozdĺž osi otáčania alebo pomocou aktívnych ovládacích prvkov, ktoré sa týkajú výfukového plynu motora. Plutvy a kačice nemajú nič, na čom by fungovali bez vzduchu. Sci-fi filmy, ktoré ukazujú rakety vo vesmíre s krídlami a plutvami, sú dlhé fikcie a krátke vedy. Najbežnejšími druhmi aktívnych ovládacích prvkov používaných v kozmickom priestore sú rakety na riadenie polohy. Okolo vozidla sú namontované malé zhluky motorov. Odpaľovaním správnej kombinácie týchto malých rakiet je možné vozidlo otočiť v ľubovoľnom smere. Hneď ako sú správne nasmerované, hlavné motory strieľajú a raketu vysielajú novým smerom.

hmota rakety je ďalším dôležitým faktorom ovplyvňujúcim jej výkon. Môže to znamenať rozdiel medzi úspešným letom a pretáčaním sa okolo nosnej plochy. Predtým, ako raketa môže opustiť zem, musí raketový motor dosiahnuť ťah väčší ako celková hmotnosť vozidla. Raketa s množstvom zbytočnej hmoty nebude taká účinná ako raketa, ktorá je upravená len na nevyhnutné veci. Celková hmotnosť vozidla by sa mala rozdeliť podľa tohto všeobecného vzorca pre ideálnu raketu:

• Deväťdesiatjeden percent z celkovej hmotnosti by mali byť pohonné látky.
• Tri percentá by mali byť tanky, motory a plutvy.
• Užitočné zaťaženie môže predstavovať 6 percent. Užitočným zaťažením môžu byť satelity, astronauti alebo kozmické lode, ktoré budú cestovať na iné planéty alebo mesiace.

Pri určovaní efektívnosti raketového dizajnu hovoria raketovci hmotnostný zlomok alebo „MF“. Hmotnosť raketové propelenty vydelené celkovou hmotnosťou rakety dávajú hmotnostný zlomok: MF = (hmotnosť pohonných látok) / (celková hmotnosť)

Ideálne je hmotnostný zlomok rakety 0,91. Človek by si mohol myslieť, že MF 1,0 je dokonalý, ale potom by celá raketa nebola ničím iným ako iba hromada pohonných látok, ktorá by sa zapálila do ohnivej gule. Čím väčšie je číslo MF, tým menšie užitočné zaťaženie môže raketa uniesť. Čím je číslo MF menšie, tým menší je jeho rozsah. Číslo MF 0,91 predstavuje dobrú rovnováhu medzi schopnosťou prenášať užitočné zaťaženie a rozsahom.

Raketoplán má MF približne 0,82. MF sa líši medzi rôznymi obežnými dráhami vo flotile raketoplánu a rôznymi váhami užitočného zaťaženia každej misie.

Rakety, ktoré sú dostatočne veľké na to, aby mohli prenášať kozmickú loď do vesmíru, majú vážne problémy s hmotnosťou. Na to, aby dosiahli priestor a našli správnu orbitálnu rýchlosť, je potrebné veľké množstvo paliva. Nádrže, motory a súvisiaci hardvér sa preto zväčšujú. Až do chvíle, väčšie rakety lietajú ďalej ako menšie rakety, ale keď sú príliš veľké, ich štruktúra ich príliš zaťažuje. Hmotnostný podiel sa redukuje na nemožné číslo.

Riešenie tohto problému je možné pripísať výrobcovi ohňostrojov zo 16. storočia Johann Schmidlap. Prilepil malé rakety na vrchol veľkých. Keď sa veľká raketa vyčerpala, teleso rakety sa zahodilo a zostávajúca raketa vystrelala. Dosiahli sa oveľa vyššie nadmorské výšky. Tieto rakety používané Schmidlapom sa nazývali stupňové rakety.

Dnes sa táto technika budovania rakety nazýva inscenácia. Vďaka inscenácii sa podarilo dosiahnuť nielen vesmír, ale aj mesiac a ďalšie planéty. Vesmírna raketoplán sa riadi princípom krokovej rakety tým, že pri vyčerpaní pohonných hmôt vypustí svoje pevné zosilňovače rakiet a externý tank.