Kaip skrydžių valdymo sistemos stabilizuoja raketas

Efektyvaus raketinio variklio sukūrimas yra tik dalis problemos. raketa skrydžio metu taip pat turi būti stabilus. Stabili raketa skrieja sklandžia, vienoda kryptimi. Nestabili raketa skrieja klaidingu keliu, kartais pasilenkdama ar pakeisdama kryptį. Nestabilios raketos yra pavojingos, nes neįmanoma nuspėti, kur jos vyks - jos gali net apsiversti aukštyn kojom ir staiga nukreipti tiesiai atgal į paleidimo padėkliuką.

Visai materijai būdingas taškas, vadinamas masės centru arba „CM“, nepaisant jos dydžio, masės ar formos. Masės centras yra tiksli vieta, kur visos to objekto masės yra puikiai subalansuotos.

Balansuodami ant piršto, lengvai rasite objekto, pavyzdžiui, liniuotės, masės centrą. Jei liniuotės gamybai naudojama medžiaga yra vienodo storio ir tankio, masės centras turėtų būti pusiaukelėje tarp vieno pagaliuko galo ir kito. CM nebebūtų viduryje, jei į vieną iš jo galų būtų įmesta sunki naga. Balanso taškas būtų arčiau nago galo.

CM yra svarbus raketų skrydžio metu, nes aplink šį tašką nestabili raketa krenta. Tiesą sakant, bet koks skrydžio metu esantis objektas yra linkęs nukristi. Jei išmesite lazdą, ji suduos. Mesti rutulį ir jis sukasi skriedamas. Sukimosi ar pasukimo veiksmas stabilizuoja skrendantį objektą. Frisbėjus eis ten, kur norite, tik tuo atveju, jei jį mesti apgalvotu nugara. Pabandykite mesti „Frisbį“ jo nesukdami ir pamatysite, kad jis skrieja klaidingu keliu ir smarkiai atsilieka nuo savo žymės, jei netgi galite jį mesti.

Sukimasis ar pasukimas vyksta aplink vieną ar daugiau iš trijų ašių, esančių skrydžio metu: riedėjimo, žingsnio ir posūkio. Taškas, kuriame susikerta visos trys šios ašys, yra masės centras.

Skrydžio raketos metu svarbiausios yra žingsnio ir krypčių ašys, nes bet koks judėjimas bet kuria iš šių dviejų krypčių gali sukelti raketos pasitraukimą nuo kurso. Riedėjimo ašis yra mažiausiai svarbi, nes judėjimas šia ašimi nepakenks skrydžio trajektorijai.

Tiesą sakant, riedėjimo judesys padės stabilizuoti raketą taip pat, kaip tinkamai praeinantis futbolas stabilizuojamas riedėjimo ar spiralės metu. Nors prastai praleistas futbolas vis tiek gali skristi į savo ženklą, net jei jis labiau kris, o ne riedės, raketa to nepadarys. Futbolo perdavimo veiksmo ir reakcijos energiją metėjas visiškai sunaudoja, kai kamuolys palieka ranką. Kai naudojamos raketos, variklio trauka vis dar gaminama, kol raketa skraido. Nestabilūs judesiai apie žingsnį ir pasukimo ašis sukels raketos pasitraukimą iš suplanuoto kurso. Norint išvengti nestabilių judesių ar bent jau sumažinti jų valdymą, reikalinga valdymo sistema.

Kitas svarbus raketos skrydžiui įtakos turintis centras yra jo slėgio centras arba „CP“. Slėgio centras egzistuoja tik tada, kai oras teka pro judančią raketą. Dėl tekančio oro, trinantis ir stumiantis prie išorinio raketos paviršiaus, jis gali pradėti judėti viena iš trijų savo ašių.

Pagalvokite apie oro vėžę, strėlę primenančią lazdą, pritvirtintą ant stogo ir naudojamą vėjo krypčiai nurodyti. Rodyklė pritvirtinta prie vertikalaus strypo, kuris veikia kaip pasukimo taškas. Rodyklė yra subalansuota, todėl masės centras yra tiesiai pasukimo taške. Kai pučia vėjas, strėlė pasisuka ir strėlės galva nukreipta į artėjantį vėją. Rodyklės uodega nukreipta vėjo kryptimi.

A vėjarodis rodyklė nukreipta į vėją, nes strėlės uodegos paviršiaus plotas yra daug didesnis nei rodyklės galvutės. Tekantis oras suteikia didesnę jėgą uodegai nei galva, todėl uodega atstumiama. Ant rodyklės yra taškas, kurio paviršiaus plotas yra vienodas iš vienos pusės. Ši vieta vadinama slėgio centru. Slėgio centras yra ne toje pačioje vietoje kaip ir masės centras. Jei būtų, tada nė vienas strėlės galas nebūtų palankus vėjui. Rodyklė nenurodyta. Slėgio centras yra tarp masės centro ir rodyklės uodegos galo. Tai reiškia, kad uodegos galas turi didesnį paviršiaus plotą nei galvos galas.

Raketos slėgio centras turi būti link uodegos. Masės centras turi būti nosies link. Jei jie yra toje pačioje vietoje arba labai arti vienas kito, raketa skrendant bus nestabili. Jis bandys suktis apie masės centrą pikio ir posūkio ašyse, sukurdamas pavojingą situaciją.

Norint, kad raketa būtų stabili, reikalinga tam tikra kontrolės sistema. Raketų valdymo sistemos palaiko raketą stabilią skraidymo metu ir ją valdo. Mažoms raketoms paprastai reikalinga tik stabilizuojanti valdymo sistema. Didelėms raketoms, tokioms, kurios paleidžia palydovus į orbitą, reikalinga sistema, kuri ne tik stabilizuotų raketą, bet ir leistų jai pakeisti kursą skrendant.

Raketų valdymas gali būti aktyvus arba pasyvus. Pasyvūs valdikliai yra fiksuoti įtaisai, kurie palaiko raketų stabilizavimą vien dėl to, kad jie yra raketos išorėje. Aktyvius valdiklius galima perkelti, kol raketa skrenda, kad stabilizuotų ir valdytų plaukiojančią priemonę.

Paprasčiausias iš visų pasyviųjų valdiklių yra lazda. Kinų ugnies strėlės buvo paprastos raketos, sumontuotos ant lazdų galų, kurios laikydavo slėgio centrą už masės centro. Nepaisant to, ugnies strėlės buvo žinomos netiksliai. Prieš pradedant veikti slėgio centrui, oras turėjo tekėti pro raketą. Kol tebėra ant žemės ir nejudri, rodyklė gali paslysti ir šaudyti neteisingai.

Gaisrinių strėlių tikslumas buvo žymiai pagerintas vėliau, jas pritvirtinus tinkama kryptimi esančiu love. Lovas rodyklę vedė tol, kol ji judėjo pakankamai greitai, kad savaime taptų stabili.

Kitas svarbus raketerijos patobulinimas įvyko, kai lazdos buvo pakeistos lengvų pelekų sankaupomis, pritvirtintomis aplink apatinį galą šalia purkštuko. Smailės galėtų būti pagamintos iš lengvų medžiagų ir būtų patobulintos formos. Jie raketoms suteikė smiginį. Didelis pelekų paviršiaus plotas lengvai laikė slėgio centrą už masės centro. Kai kurie eksperimentatoriai net smaigiai sulenkė apatinius pelekų galiukus, kad būtų galima greitai skrieti. Dėl šių „veržlių pelekų“ raketos tampa daug stabilesnės, tačiau ši konstrukcija labiau atitraukė ir apribojo raketos nuotolį.

Raketos svoris yra kritinis našumo ir diapazono veiksnys. Originali ugnies strypo lazda padidino raketos per daug negyvosios masės savybes, todėl labai sumažino jos nuotolį. XX amžiuje pradėjus modernią raketavimą, buvo ieškoma naujų būdų, kaip pagerinti raketų stabilumą ir tuo pačiu sumažinti bendrą raketų svorį. Atsakymas buvo aktyvios kontrolės plėtojimas.

Aktyviose valdymo sistemose buvo sparneliai, kilnojamieji pelekai, plokštelės, antgaliai su antgaliais, vernierinės raketos, degalų įpurškimo ir padėties reguliavimo raketos.

Pakreipiami pelekai ir plakatai savo išvaizda yra gana panašūs vienas į kitą - vienintelis tikras skirtumas yra jų vieta ant raketos. Plakatai montuojami priekiniame gale, o pakreipiami pelekai yra gale. Skrydžio metu pelekai ir plokštelės pakreipiami kaip vairai, kad nukreiptų oro srautą ir leistų raketa pakeisti kursą. Raketos judesio jutikliai nustato neplanuotus krypčių pokyčius, o pataisas galima atlikti šiek tiek pakreipiant pelekus ir skardines. Šių dviejų prietaisų pranašumas yra jų dydis ir svoris. Jie yra mažesni ir lengvesni, todėl mažiau traukia nei dideli pelekai.

Kitos aktyvios kontrolės sistemos gali pašalinti pelekus ir plokšteles. Kursą galima pakeisti skrydžio metu pakreipiant kampą, kuriuo išmetamosios dujos išeina iš raketos variklio. Išmetimo krypčiai pakeisti galima naudoti keletą būdų. Vantos yra maži, panašūs į raketinio variklio išmetimo sistemos įtaisus. Pakreipdami mentės nukreipia išmetimą, o reaguodama raketa reaguoja nurodydama priešingą kelią.

Kitas išmetimo krypties keitimo būdas yra užpurkšti antgalį. Antgalis, ant kurio pritvirtintas antgalis, gali svyruoti, kol pro jį praeina išmetamosios dujos. Pakreipdama variklio purkštuką tinkama kryptimi, raketa reaguoja keisdama kursą.

„Vernier“ raketos taip pat gali būti naudojamos krypčiai pakeisti. Tai yra mažos raketos, sumontuotos didžiojo variklio išorėje. Jie gaisro, kai reikia, sukelia norimą kurso pakeitimą.

Kosmose stabilizuoti raketą ar pakeisti jos kryptį galima tik sukant raketą išilgai ritinio ašies arba naudojant aktyvius valdiklius, įtraukiančius variklio išmetimą. Kailiai ir plakatai neturi nieko veikti be oro. Mokslinės fantastikos filmai, kuriuose rodomos raketos kosmose su sparnais ir pelekais, yra ilgosios fantastikos, o trumpos - mokslo. Dažniausiai kosmose naudojamos aktyviosios kontrolės priemonės yra požiūrio valdymo raketos. Mažos variklių grupės yra sumontuotos aplink transporto priemonę. Šaudant į dešinę šių mažų raketų kombinaciją, transporto priemonę galima pasukti bet kuria kryptimi. Kai tik jie nukreipiami tinkamai, pagrindiniai varikliai užsidega, raketa nukreipiama nauja linkme.

mišios raketos yra dar vienas svarbus veiksnys, turintis įtakos jos veikimui. Tai gali atskirti sėkmingą skrydį nuo vaikščiojimo ant paleidimo padėklo. Prieš raketą paliekant žemę, raketos variklis turi išstumti didesnę traukos jėgą nei bendra transporto priemonės masė. Raketa, kurioje yra daug nereikalingos masės, nebus tokia efektyvi kaip ta, kuri yra sutrumpinta iki tiesiog būtiniausių daiktų. Bendra transporto priemonės masė turėtų būti paskirstoma pagal šią idealios raketos formulę:

• Devyniasdešimt vienas procentas visos masės turėtų būti svaidomosios medžiagos.
• Trys procentai turėtų būti cisternos, varikliai ir pelekai.
• Naudingas krovinys gali sudaryti 6 procentus. Naudingos apkrovos gali būti palydovai, kosmonautai ar erdvėlaiviai, kurie keliaus į kitas planetas ar mėnulius.

Nustatydami raketos efektyvumą, raketininkai kalba apie masės dalį arba „MF“. Masė raketos raketiniai varikliai, padalyti iš bendrosios raketos masės, suteikia masės dalį: MF = (raketinio kuro masė) / (bendra masė)

Idealiu atveju raketos masės dalis yra 0,91. Galima pamanyti, kad 1,0 MF yra tobulas, tačiau tada visa raketa būtų ne kas kita, kaip vienkartinis raketinis kuras, kuris užsidegtų į ugnį. Kuo didesnis MF numeris, tuo mažiau naudingos gali būti raketos. Kuo mažesnis MF skaičius, tuo mažesnis jo diapazonas. MF skaičius 0,91 yra geras balansas tarp krovinio gabenimo galimybių ir diapazono.

„Space Shuttle“ DF yra maždaug 0,82. MF skiriasi atsižvelgiant į skirtingus kosminių laivų orlaivių orbitus ir atsižvelgiant į skirtingą kiekvienos misijos naudingo krovinio svorį.

Raketos, kurios yra pakankamai didelės, kad gabentų erdvėlaivius į kosmosą, turi rimtų svorio problemų. Jiems pasiekti kosmosą ir rasti tinkamą orbitos greitį reikia labai daug raketinio kuro. Todėl rezervuarai, varikliai ir su jais susijusi aparatūra tampa didesni. Iki taško didesnės raketos skraido toliau nei mažesnės raketos, bet kai jos tampa per didelės, jų konstrukcijos per daug sveria. Masės dalis sumažinama iki neįmanomo skaičiaus.

Šios problemos sprendimas gali būti įskaitytas XVI amžiaus fejerverkų gamintojui Johannui Schmidlapui. Prie didelių viršaus jis pritvirtino mažas raketas. Kai didžioji raketa buvo išnaudota, raketos korpusas buvo numestas už nugaros, o likusi raketa iššovė. Buvo pasiektas daug didesnis aukštis. Šios Schmidlap naudojamos raketos buvo vadinamos pakopinėmis raketomis.

Šiandien ši raketos pastatymo technika vadinama inscenizacija. Dėl sustojimo tapo įmanoma ne tik pasiekti kosmosą, bet ir Mėnulį bei kitas planetas. „Space Shuttle“ vykdo pakopinės raketos principą, nuleisdamas savo tvirtus raketų stiprintuvus ir išorinį baką, kai jie išeikvoja iš raketų.