Πώς τα συστήματα ελέγχου πτήσης σταθεροποιούν τους πυραύλους

Η κατασκευή ενός αποτελεσματικού κινητήρα πυραύλων είναι μόνο μέρος του προβλήματος. ο ρουκέτα πρέπει επίσης να είναι σταθερή κατά την πτήση. Ένας σταθερός πύραυλος είναι αυτός που πετά σε ομαλή, ομοιόμορφη κατεύθυνση. Ένας ασταθής πύραυλος πετά κατά μήκος μιας ακανόνιστης πορείας, μερικές φορές πέφτει ή αλλάζει κατεύθυνση. Οι ασταθείς πύραυλοι είναι επικίνδυνοι, επειδή δεν είναι δυνατό να προβλέψουμε πού θα πάνε - μπορεί ακόμη και να γυρίσουν ανάποδα και ξαφνικά να κατευθυνθούν πίσω στο ταμπλό εκτόξευσης.

Όλη η ύλη έχει ένα σημείο που ονομάζεται κέντρο μάζας ή "CM", ανεξάρτητα από το μέγεθος, τη μάζα ή το σχήμα του. Το κέντρο μάζας είναι το ακριβές σημείο όπου όλη η μάζα αυτού του αντικειμένου είναι απόλυτα ισορροπημένη.

Μπορείτε εύκολα να βρείτε το κέντρο μάζας ενός αντικειμένου - όπως ένα χάρακα - εξισορροπώντας το στο δάχτυλό σας. Εάν το υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του χάρακα έχει ομοιόμορφο πάχος και πυκνότητα, το κέντρο μάζας πρέπει να βρίσκεται στο μισό σημείο μεταξύ του ενός άκρου του ραβδιού και του άλλου. Το CM δεν θα ήταν πλέον στη μέση εάν ένα βαρύ καρφί οδηγούσε σε ένα από τα άκρα του. Το σημείο ισορροπίας θα ήταν πιο κοντά στο τέλος με το καρφί.

Το CM είναι σημαντικό στην πτήση πυραύλων επειδή ένας ασταθής πύραυλος πέφτει γύρω από αυτό το σημείο. Στην πραγματικότητα, οποιοδήποτε αντικείμενο κατά την πτήση τείνει να πέφτει. Εάν ρίξετε ένα ραβδί, θα πέσει από άκρο σε άκρο. Ρίξτε μια μπάλα και περιστρέφεται κατά την πτήση. Η πράξη περιστροφής ή ανατροπής σταθεροποιεί ένα αντικείμενο κατά την πτήση. Ένα Frisbee θα πάει εκεί που θέλετε να πάτε μόνο αν το ρίξετε με σκόπιμο γύρισμα. Δοκιμάστε να ρίξετε ένα Frisbee χωρίς να το περιστρέψετε και θα διαπιστώσετε ότι πετάει σε ένα ακανόνιστο μονοπάτι και πέφτει πολύ μακριά από το σημάδι του, αν μπορείτε να το ρίξετε καθόλου.

Η περιστροφή ή η ανατροπή πραγματοποιείται γύρω από έναν ή περισσότερους από τρεις άξονες κατά την πτήση: ρολό, γήπεδο και χασμουρητό. Το σημείο όπου τέμνονται και οι τρεις αυτοί άξονες είναι το κέντρο μάζας.

Οι άξονες βήματος και εκτροπής είναι οι πιο σημαντικοί στην πτήση πυραύλων επειδή οποιαδήποτε κίνηση σε οποιαδήποτε από αυτές τις δύο κατευθύνσεις μπορεί να προκαλέσει την εκτόξευση του πυραύλου. Ο άξονας κύλισης είναι ο λιγότερο σημαντικός επειδή η κίνηση κατά μήκος αυτού του άξονα δεν θα επηρεάσει τη διαδρομή πτήσης.

Στην πραγματικότητα, μια κυλιόμενη κίνηση θα βοηθήσει στη σταθεροποίηση του πυραύλου με τον ίδιο τρόπο που ένα σωστά περασμένο ποδόσφαιρο σταθεροποιείται με κύλιση ή σπείρα κατά την πτήση. Αν και ένα ποδόσφαιρο που δεν έχει περάσει καλά μπορεί να πετάξει ακόμα και αν πέσει αντί να ρίξει, ένας πύραυλος δεν θα το κάνει. Η ενέργεια δράσης-αντίδρασης ενός ποδοσφαιρικού περάσματος εξαντλείται εντελώς από τον ρίκτη τη στιγμή που η μπάλα αφήνει το χέρι του. Με πυραύλους, η ώθηση από τον κινητήρα εξακολουθεί να παράγεται ενώ ο πύραυλος βρίσκεται σε πτήση. Οι ασταθείς κινήσεις για τους άξονες του γηπέδου και του χασμουρητού θα προκαλέσουν την έξοδο του πυραύλου από την προγραμματισμένη πορεία. Απαιτείται ένα σύστημα ελέγχου για την πρόληψη ή τουλάχιστον την ελαχιστοποίηση των ασταθών κινήσεων.

Ένα άλλο σημαντικό κέντρο που επηρεάζει την πτήση ενός πυραύλου είναι το κέντρο πίεσης ή το «CP». Το κέντρο πίεσης υπάρχει μόνο όταν ο αέρας ρέει πέρα ​​από τον κινούμενο πύραυλο. Αυτός ο ρέοντας αέρας, τρίβοντας και σπρώχνοντας την εξωτερική επιφάνεια του πυραύλου, μπορεί να τον κάνει να αρχίσει να κινείται γύρω από έναν από τους τρεις άξονές του.

Σκεφτείτε ένα ανεμοδείκτη, ένα ραβδί που μοιάζει με βέλος τοποθετημένο σε μια στέγη και χρησιμοποιείται για να πει την κατεύθυνση του ανέμου. Το βέλος συνδέεται με μια κατακόρυφη ράβδο που λειτουργεί ως περιστρεφόμενο σημείο. Το βέλος είναι ισορροπημένο, έτσι το κέντρο μάζας είναι ακριβώς στο περιστρεφόμενο σημείο. Όταν φυσάει ο άνεμος, το βέλος στρέφεται και το κεφάλι του βέλους δείχνει στον επερχόμενο άνεμο. Η ουρά του βέλους δείχνει προς την κατεύθυνση προς τα κάτω.

ΕΝΑ ανεμοδείκτης Το βέλος δείχνει στον άνεμο επειδή η ουρά του βέλους έχει πολύ μεγαλύτερη επιφάνεια από την κεφαλή του βέλους. Ο ρέοντας αέρας προσδίδει μεγαλύτερη δύναμη στην ουρά από την κεφαλή, οπότε η ουρά ωθείται μακριά. Υπάρχει ένα σημείο στο βέλος όπου η επιφάνεια είναι ίδια από τη μία πλευρά με την άλλη. Αυτό το σημείο ονομάζεται κέντρο πίεσης. Το κέντρο πίεσης δεν βρίσκεται στο ίδιο μέρος με το κέντρο μάζας. Εάν ήταν, τότε κανένα άκρο του βέλους δεν θα ευνοούσε τον άνεμο. Το βέλος δεν θα δείχνει. Το κέντρο πίεσης βρίσκεται μεταξύ του κέντρου μάζας και του άκρου του βέλους. Αυτό σημαίνει ότι το άκρο της ουράς έχει μεγαλύτερη επιφάνεια από το άκρο της κεφαλής.

Το κέντρο πίεσης σε έναν πύραυλο πρέπει να βρίσκεται προς την ουρά. Το κέντρο μάζας πρέπει να βρίσκεται προς τη μύτη. Εάν βρίσκονται στο ίδιο μέρος ή πολύ κοντά ο ένας στον άλλο, ο πύραυλος θα είναι ασταθής κατά την πτήση. Θα προσπαθήσει να περιστραφεί γύρω από το κέντρο μάζας στους άξονες του γηπέδου και της εκτροπής, δημιουργώντας μια επικίνδυνη κατάσταση.

Η σταθεροποίηση ενός πυραύλου απαιτεί κάποια μορφή συστήματος ελέγχου. Τα συστήματα ελέγχου για ρουκέτες διατηρούν έναν πύραυλο σταθερό κατά την πτήση και τον κατευθύνουν. Οι μικροί πύραυλοι συνήθως απαιτούν μόνο ένα σταθεροποιητικό σύστημα ελέγχου. Οι μεγάλοι πύραυλοι, όπως αυτοί που εκτοξεύουν δορυφόρους σε τροχιά, απαιτούν ένα σύστημα που όχι μόνο σταθεροποιεί τον πύραυλο αλλά και του επιτρέπει να αλλάζει πορεία κατά την πτήση.

Τα χειριστήρια σε ρουκέτες μπορεί να είναι ενεργά ή παθητικά. Τα παθητικά χειριστήρια είναι σταθερές συσκευές που διατηρούν τους πύραυλους σταθεροποιημένους από την παρουσία τους στο εξωτερικό του πυραύλου. Τα ενεργά χειριστήρια μπορούν να κινηθούν ενώ ο πύραυλος βρίσκεται σε πτήση για να σταθεροποιήσει και να κατευθύνει το σκάφος.

Το απλούστερο από όλα τα παθητικά χειριστήρια είναι ένα ραβδί. κινέζικα βέλη φωτιάς ήταν απλοί πύραυλοι τοποθετημένοι στα άκρα των ραβδιών που κρατούσαν το κέντρο πίεσης πίσω από το κέντρο μάζας. Παρόλα αυτά τα βέλη της φωτιάς ήταν ανακριβώς ανακριβή. Ο αέρας έπρεπε να ρέει πέρα ​​από τον πύραυλο πριν τεθεί σε ισχύ το κέντρο πίεσης. Ενώ βρίσκεστε ακόμα στο έδαφος και ακίνητο, το βέλος μπορεί να σβήσει και να πυροδοτήσει με λάθος τρόπο.

Η ακρίβεια των βελών πυρκαγιάς βελτιώθηκε σημαντικά χρόνια αργότερα, τοποθετώντας τα σε μια κοιλότητα με στόχο τη σωστή κατεύθυνση. Η γούρνα καθοδήγησε το βέλος μέχρι να κινείται αρκετά γρήγορα για να γίνει σταθερή μόνη της.

Μια άλλη σημαντική βελτίωση στην πυραύλη ήρθε όταν τα ραβδιά αντικαταστάθηκαν από συστάδες ελαφρών πτερυγίων τοποθετημένων γύρω από το κάτω άκρο κοντά στο ακροφύσιο. Τα πτερύγια θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από ελαφριά υλικά και να βελτιωθούν σε σχήμα. Έδωσαν στους πύραυλους μια εμφάνιση σαν βέλος. Η μεγάλη επιφάνεια των πτερυγίων κράτησε εύκολα το κέντρο πίεσης πίσω από το κέντρο μάζας. Μερικοί πειραματιστές έσκυψαν ακόμη και τις χαμηλότερες άκρες των πτερυγίων με τρόπο τροχό για να προωθήσουν την ταχεία περιστροφή κατά την πτήση. Με αυτά τα "πτερύγια περιστροφής", οι πύραυλοι γίνονται πολύ πιο σταθεροί, αλλά αυτός ο σχεδιασμός παρήγαγε περισσότερη έλξη και περιόρισε την εμβέλεια του πυραύλου.

Το βάρος του πυραύλου είναι ένας κρίσιμος παράγοντας στην απόδοση και το εύρος. Το αρχικό ραβδί βέλους πρόσθεσε πάρα πολύ νεκρό βάρος στον πύραυλο και επομένως περιόρισε σημαντικά την εμβέλειά του. Με την έναρξη του σύγχρονου πυραύλου τον 20ο αιώνα, αναζητήθηκαν νέοι τρόποι για να βελτιωθεί η σταθερότητα των πυραύλων και ταυτόχρονα να μειωθεί το συνολικό βάρος των πυραύλων. Η απάντηση ήταν η ανάπτυξη ενεργών ελέγχων.

Τα ενεργά συστήματα ελέγχου περιλάμβαναν πτερύγια, κινητά πτερύγια, καμβά, ακροφύσια με ζιμπάμ, πυραύλους βερνιέρου, πύραυλο ψεκασμού και ελέγχου στάσης.

Τα γέρνοντας πτερύγια και τα καμβά είναι παρόμοια μεταξύ τους στην εμφάνιση - η μόνη πραγματική διαφορά είναι η θέση τους στον πύραυλο. Τα καναρίδες είναι τοποθετημένα στο μπροστινό άκρο ενώ τα γέρνοντας πτερύγια βρίσκονται στο πίσω μέρος. Κατά την πτήση, τα πτερύγια και τα καμβά γέρνουν σαν πηδάλια για να εκτρέψουν τη ροή του αέρα και να κάνουν τον πύραυλο να αλλάξει πορεία. Οι αισθητήρες κίνησης στον πύραυλο ανιχνεύουν μη προγραμματισμένες αλλαγές κατεύθυνσης και μπορούν να γίνουν διορθώσεις κάνοντας ελαφρώς κλίση των πτερυγίων και των καμβάδων. Το πλεονέκτημα αυτών των δύο συσκευών είναι το μέγεθος και το βάρος τους. Είναι μικρότερα και ελαφρύτερα και παράγουν λιγότερη αντίσταση από τα μεγάλα πτερύγια.

Άλλα ενεργά συστήματα ελέγχου μπορούν να εξαλείψουν συνολικά τα πτερύγια και τα καμβά. Οι αλλαγές πορείας μπορούν να γίνουν κατά την πτήση γέρνοντας τη γωνία με την οποία τα καυσαέρια εξέρχονται από τον κινητήρα του πυραύλου. Διάφορες τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αλλαγή κατεύθυνσης καυσαερίων. Τα πτερύγια είναι μικρές λεπτές συσκευές που τοποθετούνται μέσα στην εξάτμιση του κινητήρα πυραύλων. Η κλίση των πτερυγίων εκτρέπει την εξάτμιση και με αντίδραση δράσης ο πύραυλος αποκρίνεται δείχνοντας τον αντίθετο τρόπο.

Μια άλλη μέθοδος για την αλλαγή της κατεύθυνσης της εξάτμισης είναι η αντιστροφή του ακροφυσίου. Ένα ακροφύσιο με αντίσταση είναι ικανό να ταλαντεύεται ενώ τα καυσαέρια διέρχονται από αυτό. Γέρνοντας το ακροφύσιο του κινητήρα στη σωστή κατεύθυνση, ο πύραυλος αποκρίνεται αλλάζοντας πορεία.

Οι πύραυλοι Vernier μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να αλλάξουν κατεύθυνση. Πρόκειται για μικρούς πυραύλους τοποθετημένους στο εξωτερικό του μεγάλου κινητήρα. Εκτοξεύονται όταν χρειάζεται, δημιουργώντας την επιθυμητή αλλαγή πορείας.

Στο διάστημα, μόνο η περιστροφή του πυραύλου κατά μήκος του άξονα κύλισης ή η χρήση ενεργών χειριστηρίων που περιλαμβάνουν την εξάτμιση του κινητήρα μπορεί να σταθεροποιήσει τον πύραυλο ή να αλλάξει την κατεύθυνση του. Τα πτερύγια και τα καμβά δεν έχουν τίποτα να δουλέψουν χωρίς αέρα. Οι ταινίες επιστημονικής φαντασίας που δείχνουν πυραύλους στο διάστημα με φτερά και πτερύγια έχουν μεγάλη διάρκεια στη μυθοπλασία και σύντομες στην επιστήμη. Τα πιο συνηθισμένα είδη ενεργών χειριστηρίων που χρησιμοποιούνται στο διάστημα είναι οι πύραυλοι ελέγχου στάσης. Μικρά σμήνη κινητήρων είναι τοποθετημένα σε όλο το όχημα. Πυροβολώντας τον σωστό συνδυασμό αυτών των μικρών πυραύλων, το όχημα μπορεί να περιστραφεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Μόλις στοχεύουν σωστά, οι κύριοι κινητήρες πυροβολούν, στέλνοντας τον πύραυλο προς τη νέα κατεύθυνση.

ο μάζα ενός πυραύλου είναι ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την απόδοσή του. Μπορεί να κάνει τη διαφορά μεταξύ μιας επιτυχημένης πτήσης και της περιήγησης στο ταμπλό εκτόξευσης. Ο πυραυλοκινητήρας πρέπει να παράγει ώθηση μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα του οχήματος πριν ο πύραυλος μπορεί να βγει από το έδαφος. Ένας πύραυλος με πολλή περιττή μάζα δεν θα είναι τόσο αποτελεσματικός όσο αυτός που κόβεται μόνο στα γυμνά απαραίτητα. Η συνολική μάζα του οχήματος πρέπει να κατανέμεται σύμφωνα με αυτόν τον γενικό τύπο για έναν ιδανικό πύραυλο:

• Ενενήντα ένα τοις εκατό της συνολικής μάζας πρέπει να είναι προωθητικά.
• Το 3% πρέπει να είναι δεξαμενές, κινητήρες και πτερύγια.
• Το ωφέλιμο φορτίο μπορεί να αντιπροσωπεύει το 6 τοις εκατό. Τα ωφέλιμα φορτία μπορεί να είναι δορυφόροι, αστροναύτες ή διαστημόπλοια που θα ταξιδεύουν σε άλλους πλανήτες ή φεγγάρια.

Κατά τον προσδιορισμό της αποτελεσματικότητας ενός σχεδιασμού πυραύλων, οι rocketeers μιλούν σε όρους κλάσματος μάζας ή «MF». Η μάζα του Τα προωθητικά του πυραύλου διαιρούμενα με τη συνολική μάζα του πυραύλου δίνουν κλάσμα μάζας: MF = (Μάζα προωθητικών) / (Συνολική μάζα)

Στην ιδανική περίπτωση, το κλάσμα μάζας ενός πυραύλου είναι 0,91. Κάποιος μπορεί να πιστεύει ότι ένα MF 1,0 είναι τέλειο, αλλά τότε ολόκληρος ο πύραυλος δεν θα ήταν τίποτα περισσότερο από ένα κομμάτι προωθητικών που θα αναφλεγούν σε μια βολίδα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός MF, τόσο μικρότερο είναι το ωφέλιμο φορτίο που μπορεί να μεταφέρει ο πύραυλος. Όσο μικρότερος είναι ο αριθμός MF, τόσο μικρότερο γίνεται το εύρος του. Ένας αριθμός MF 0,91 είναι μια καλή ισορροπία μεταξύ ικανότητας και εύρους μεταφοράς ωφέλιμου φορτίου.

Το Space Shuttle έχει MF περίπου 0,82. Το MF ποικίλλει μεταξύ των διαφορετικών τροχιών στο στόλο του διαστημικού λεωφορείου και με τα διαφορετικά βάρη ωφέλιμου φορτίου κάθε αποστολής.

Οι πύραυλοι που είναι αρκετά μεγάλοι για να μεταφέρουν διαστημόπλοια στο διάστημα έχουν σοβαρά προβλήματα βάρους. Χρειάζεται μεγάλη προωθητική ουσία για να φτάσουν στο διάστημα και να βρουν κατάλληλες τροχιακές ταχύτητες. Επομένως, οι δεξαμενές, οι κινητήρες και το σχετικό υλικό γίνονται μεγαλύτερα. Μέχρι ένα σημείο, οι μεγαλύτεροι πύραυλοι πετούν πιο μακριά από τους μικρότερους πυραύλους, αλλά όταν γίνουν πάρα πολύ μεγάλοι, οι δομές τους τις ζυγίζουν πάρα πολύ. Το κλάσμα μάζας μειώνεται σε έναν αδύνατο αριθμό.

Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να αποδοθεί στον κατασκευαστή πυροτεχνημάτων του 16ου αιώνα Johann Schmidlap. Συνέδεσε μικρούς πύραυλους στην κορυφή των μεγάλων. Όταν ο μεγάλος πύραυλος εξαντλήθηκε, το περίβλημα πυραύλων έπεσε πίσω και ο υπόλοιπος πύραυλος πυροβολήθηκε. Επιτεύχθηκαν πολύ υψηλότερα υψόμετρα. Αυτοί οι πύραυλοι που χρησιμοποίησε ο Schmidlap ονομάστηκαν πύραυλοι.

Σήμερα, αυτή η τεχνική κατασκευής ενός πυραύλου ονομάζεται στάση. Χάρη στη στάση, κατέστη δυνατό όχι μόνο να φτάσουμε στο διάστημα αλλά και στο φεγγάρι και σε άλλους πλανήτες. Το Space Shuttle ακολουθεί την αρχή του βήματος πυραύλων, ρίχνοντας τους ενισχυτές πυραύλων και το εξωτερικό ρεζερβουάρ όταν εξαντλούνται τα προωθητικά.