Hur flygkontrollsystem stabiliserar raketer

Att bygga en effektiv raketmotor är bara en del av problemet. De raket måste också vara stabil under flygning. En stabil raket är en som flyger i en jämn, enhetlig riktning. En instabil raket flyger längs en oberäknelig väg, ibland tumlande eller ändrar riktning. Instabila raketer är farliga eftersom det inte går att förutsäga vart de kommer - de kan till och med vända upp och ner och plötsligt gå direkt tillbaka till startplattan.

All materia har en punkt inuti som kallas massans centrum eller "CM", oavsett storlek, massa eller form. Massans centrum är den exakta platsen där hela objektets massa är perfekt balanserad.

Du kan enkelt hitta massans centrum för ett objekt - till exempel en linjal - genom att balansera det på fingret. Om materialet som används för att tillverka linjalen har en enhetlig tjocklek och densitet, bör masscentrumet vara halvvägs mellan den ena änden av pinnen och den andra. CM skulle inte längre vara i mitten om en tung spik drevs in i en av dess ändar. Balanspunkten skulle vara närmare slutet med spiken.

CM är viktigt vid raketflygning eftersom en instabil raket tumlar runt denna punkt. I själva verket tenderar alla objekt i flykt att tumla. Om du kastar en pinne kommer den att trumla ände över slutet. Kasta en boll och den snurrar i flykten. Handlingen att snurra eller tumla stabiliserar ett objekt under flykt. En frisbee går dit du vill ha den bara om du kastar den med ett avsiktligt snurr. Försök kasta en frisbee utan att snurra den och du kommer att upptäcka att den flyger på en oberäknelig väg och faller långt under sitt märke om du ens kan kasta den alls.

Spinning eller tumling sker runt en eller flera av tre axlar under flygning: rullning, stigning och gäspning. Punkten där alla dessa tre axlar korsar var massans centrum.

Tonhöjnings- och gäxaxlarna är de viktigaste i raketflygningen eftersom varje rörelse i någon av dessa två riktningar kan få raketen att gå av kurs. Rullaxeln är minst viktigt eftersom rörelse längs denna axel inte kommer att påverka flygbanan.

I själva verket kommer en rullande rörelse att hjälpa till att stabilisera raketen på samma sätt som en korrekt passerad fotboll stabiliseras genom att rulla eller spiralera den under flygning. Även om en dåligt passerad fotboll fortfarande kan flyga till sitt märke även om den tumlar snarare än rullar, kommer en raket inte. Handlingen-reaktionsenergin i ett fotbollspass förbrukas helt av kastaren i det ögonblick som bollen lämnar handen. Med raketer produceras drivkraften från motorn fortfarande medan raketen är i flykt. Instabila rörelser kring tonhöjden och gäxaxlarna kommer att göra att raketen lämnar den planerade banan. Ett kontrollsystem behövs för att förhindra eller åtminstone minimera instabila rörelser.

Ett annat viktigt centrum som påverkar en rakets flygning är dess tryckcentrum eller "CP". Tryckcentret finns endast när luft strömmar förbi den rörliga raketen. Denna strömmande luft, gnugga och skjuta mot raketens yttre yta, kan få den att börja röra sig runt en av dess tre axlar.

Tänk på en vädersving, en pilliknande pinne monterad på taket och används för att berätta vindriktningen. Pilen är fäst vid en vertikal stång som fungerar som en svängpunkt. Pilen är balanserad så att masscentrumet är rätt vid svängpunkten. När vinden blåser vänder pilen och pilens huvud pekar på den kommande vinden. Pilens svans pekar i vindriktningen.

EN vindflöjel pilen pekar in i vinden eftersom pilens svans har en mycket större ytarea än pilspetsen. Den strömmande luften ger en större kraft till svansen än huvudet så att svansen skjuts bort. Det finns en punkt på pilen där ytan är densamma på ena sidan som den andra. Denna plats kallas pressens centrum. Tryckcentret är inte på samma plats som masscentrumet. Om det var, skulle ingen av pilens ändar gynnas av vinden. Pilen skulle inte peka. Tryckcentret är mellan massans centrum och pilens svansände. Detta innebär att svansänden har mer ytarea än huvudänden.

Tryckcentret i en raket måste vara beläget mot svansen. Massans centrum måste vara belägen mot näsan. Om de är på samma plats eller mycket nära varandra, kommer raketen att vara instabil under flygning. Den kommer att försöka rotera runt massmitten i tonhöjden och gäxaxlarna, vilket ger en farlig situation.

Att göra en raket stabil är kräver någon form av kontrollsystem. Styrsystem för raketer håller en raket stabil under flygning och styr den. Små raketer kräver vanligtvis bara ett stabiliserande styrsystem. Stora raketer, som de som sänder ut satelliter i omloppsbana, kräver ett system som inte bara stabiliserar raketten utan också gör det möjligt för den att ändra kurs under flykt.

Kontroller på raketer kan vara antingen aktiva eller passiva. Passiva kontroller är fasta enheter som håller raketer stabiliserade av deras närvaro på raketens utsida. Aktiva kontroller kan flyttas medan raket är på flykt för att stabilisera och styra farkosten.

Den enklaste av alla passiva kontroller är en pinne. kinesisk eldpilar var enkla raketer monterade på ändarna av pinnar som höll pressens centrum bakom masscentrumet. Trots detta var eldpilarna notoriskt felaktiga. Luft måste flyta förbi raketten innan tryckcentrumet kunde träda i kraft. Medan den fortfarande är på marken och rörlig, kan pilen lura och skjuta på fel sätt.

Brandpilarnas noggrannhet förbättrades avsevärt många år senare genom att montera dem i ett fält riktat i rätt riktning. Rännan ledde pilen tills den rörde sig tillräckligt snabbt för att bli stabil på egen hand.

En annan viktig förbättring av raketry kom när pinnar ersattes av kluster av lätta fenor monterade runt den nedre änden nära munstycket. Fenor kan tillverkas av lätta material och vara rationaliserade i form. De gav raketer ett dartliknande utseende. Finnens stora ytarea höll lätt pressens centrum bakom masscentrumet. Vissa experimenter böjde till och med de nedre spetsarna på fenorna på ett pinhjulsmode för att främja snabb snurrning under flygningen. Med dessa "spin fenor" blir raketer mycket mer stabila, men denna design producerade mer drag och begränsade raketens utbud.

Raketens vikt är en kritisk faktor i prestanda och räckvidd. Den ursprungliga eldpilspaken tillförde raketen för mycket dödvikt och begränsade därför dess räckvidd avsevärt. I början av modern raketry under 1900-talet sökte man nya sätt att förbättra raketstabiliteten och samtidigt minska den totala raketvikten. Svaret var utvecklingen av aktiva kontroller.

Aktiva styrsystem inkluderade skovlar, rörliga fenor, kapslar, gimbalerade munstycken, vernierraketer, bränsleinsprutning och attitydstyrande raketer.

Lutningsfenor och kanardar är ganska lika varandra i utseende - den enda verkliga skillnaden är deras placering på raketen. Kapslar är monterade på framsidan medan lutande fenor är bak. Under flygningen lutas fenorna och kanardarna som roder för att avböja luftflödet och få raketen att ändra kurs. Rörelsessensorer på raketen upptäcker inte planerade riktningsförändringar, och korrigeringar kan göras genom att lutna fenorna och kanardarna lätt. Fördelen med dessa två enheter är deras storlek och vikt. De är mindre och lättare och ger mindre drag än stora fenor.

Andra aktiva kontrollsystem kan helt och hållet eliminera fenor och canards. Kursändringar kan göras under flygning genom att luta den vinkel vid vilken avgaserna lämnar raketens motor. Flera tekniker kan användas för att ändra avgasriktningen. Skovlar är små finliknande enheter placerade i raketmotorns avgaser. Att luta skovlarna avleder avgaserna, och genom handlingsreaktion svarar raketen genom att peka motsatt väg.

En annan metod för att ändra avgasriktningen är att gimbal munstycket. Ett gimbalmunstycke är ett som kan svänga medan avgaser passerar genom det. Genom att luta motordysan i rätt riktning svarar raketen genom att byta kurs.

Vernierraketer kan också användas för att ändra riktning. Det här är små raketer monterade på utsidan av den stora motorn. De avfyrar vid behov och ger önskad kursändring.

I rymden är det bara att snurra raketten längs rullaxeln eller använda aktiva kontroller som involverar motorns avgas som kan stabilisera raketen eller ändra dess riktning. Fenor och canards har ingenting att arbeta med utan luft. Science fiction-filmer som visar raketer i rymden med vingar och fenor är långa på fiktion och kort vetenskap. De vanligaste typerna av aktiva kontroller som används i rymden är attitydstyrande raketer. Små kluster av motorer är monterade runt fordonet. Genom att avfyra rätt kombination av dessa små raketer kan fordonet vridas i valfri riktning. Så fort de riktas riktigt, avfyras huvudmotorerna och skickar av raketen i den nya riktningen.

De massa av en raket är en annan viktig faktor som påverkar dess prestanda. Det kan göra skillnaden mellan en framgångsrik flygning och svälja runt på lanseringsplattan. Raketmotorn måste producera ett tryck som är större än fordonets totala massa innan raketen kan lämna marken. En raket med mycket onödig massa kommer inte att vara lika effektiv som en som är trimmad till bara det väsentliga. Fordonets totala massa bör fördelas enligt denna allmänna formel för en idealisk raket:

• Nittiotio procent av den totala massan bör vara drivmedel.
• Tre procent bör vara tankar, motorer och fenor.
• Nyttolasten kan stå för 6 procent. Nyttolast kan vara satelliter, astronauter eller rymdfarkoster som kommer att resa till andra planeter eller månar.

För att bestämma effektiviteten hos en raketkonstruktion talar raketers i termer av massfraktion eller "MF." Massan av rakets drivmedel dividerat med rakets totala massa ger massfraktion: MF = (Mass of Propellants) / (Total Mass)

Helst är massfraktionen av en raket 0,91. Man skulle kunna tro att en MF på 1,0 är perfekt, men då skulle hela raketen vara något annat än en klump drivmedel som skulle antändas i en eldboll. Ju större MF-nummer, desto mindre nyttolast kan raketen bära. Ju mindre MF-nummer, desto mindre blir intervallet. Ett MF-nummer på 0,91 är en bra balans mellan nyttolastkapacitet och räckvidd.

Rymdfärjan har en MF på cirka 0,82. MF varierar mellan de olika orbitrarna i rymdfärjan flottan och med olika nyttolastvikter för varje uppdrag.

Raketer som är tillräckligt stora för att transportera rymdskepp ut i rymden har allvarliga viktproblem. En hel del drivmedel behövs för att de ska kunna nå rymden och hitta rätt orbitalhastigheter. Därför blir tankarna, motorerna och tillhörande hårdvara större. Upp till en punkt flyger större raketer längre än mindre raketer, men när de blir för stora väger deras strukturer dem för mycket. Massfraktionen reduceras till ett omöjligt antal.

En lösning på detta problem kan krediteras 1500-talets fyrverkeri Johann Schmidlap. Han fäst små raketer på toppen av de stora. När den stora raketen var uttömt tappades rakethöljet bakom och den återstående raketen avfyrades. Mycket högre höjder uppnåddes. Dessa raketer som användes av Schmidlap kallades trappraketeter.

Idag kallas denna teknik för att bygga en raket iscensättning. Tack vare iscenesättningen har det blivit möjligt inte bara att nå yttre rymden utan även månen och andra planeter. Rymdfärjan följer steg raketprincipen genom att släppa av sina solida raketförstärkare och externa tank när de är utmattade av drivmedel.