Hoe vluchtregelsystemen raketten stabiliseren

Het bouwen van een efficiënte raketmotor is slechts een deel van het probleem. De raket moet ook stabiel zijn tijdens de vlucht. Een stabiele raket is er een die in een soepele, uniforme richting vliegt. Een onstabiele raket vliegt langs een grillig pad, soms tuimelend of van richting veranderend. Onstabiele raketten zijn gevaarlijk omdat het niet mogelijk is om te voorspellen waar ze heen gaan - ze kunnen zelfs ondersteboven draaien en plotseling direct teruggaan naar het lanceerplatform.

Alle materie heeft een punt binnenin dat het massamiddelpunt of 'CM' wordt genoemd, ongeacht de grootte, massa of vorm. Het massamiddelpunt is de exacte plek waar de massa van dat object perfect in balans is.

U kunt eenvoudig het massamiddelpunt van een object, zoals een liniaal, vinden door het op uw vinger te balanceren. Als het materiaal dat wordt gebruikt om de liniaal te maken een uniforme dikte en dichtheid heeft, moet het massamiddelpunt zich halverwege tussen het ene uiteinde van de stok en het andere bevinden. De CM zou niet langer in het midden staan ​​als een zware spijker in een van de uiteinden werd geslagen. Het balanspunt zou dichter bij het einde van de nagel zijn.

CM is belangrijk bij raketvluchten omdat een onstabiele raket rond dit punt tuimelt. In feite heeft elk vliegtuig tijdens de vlucht de neiging om te vallen. Als je een stok gooit, zal het eind over eind tuimelen. Gooi een bal en deze draait tijdens de vlucht. Het draaien of tuimelen stabiliseert een voorwerp tijdens de vlucht. Een frisbee gaat alleen waar je hem wilt hebben als je hem met een opzettelijke draai gooit. Probeer een frisbee te gooien zonder hem te draaien en je zult merken dat hij op een grillig pad vliegt en ver onder zijn doel schiet als je hem zelfs maar kunt gooien.

Het spinnen of tuimelen vindt plaats rond een of meer van de drie assen tijdens de vlucht: rollen, stampen en gieren. Het punt waar alle drie deze assen elkaar kruisen, is het massamiddelpunt.

De steek- en gierassen zijn het belangrijkst tijdens een raketvlucht omdat elke beweging in een van deze twee richtingen de raket van koers kan doen afwijken. De rolas is het minst belangrijk omdat beweging langs deze as geen invloed heeft op het vliegpad.

In feite zal een rollende beweging de raket helpen stabiliseren op dezelfde manier als een goed gepasseerd voetbal wordt gestabiliseerd door hem tijdens de vlucht te rollen of te draaien. Hoewel een slecht gepasseerd voetbal nog steeds naar zijn doel kan vliegen, zelfs als het meer rolt dan rolt, zal een raket dat niet doen. De actie-reactie-energie van een voetbalpas wordt volledig verbruikt door de werper op het moment dat de bal zijn hand verlaat. Bij raketten wordt de stuwkracht van de motor nog steeds geproduceerd terwijl de raket in de lucht is. Onstabiele bewegingen over de steek- en gierassen zorgen ervoor dat de raket de geplande koers verlaat. Een controlesysteem is nodig om onstabiele bewegingen te voorkomen of op zijn minst te minimaliseren.

Een ander belangrijk centrum dat de vlucht van een raket beïnvloedt, is het drukcentrum of 'CP'. Het drukcentrum bestaat alleen als er lucht langs de bewegende raket stroomt. Deze stromende lucht, wrijvend en duwend tegen het buitenoppervlak van de raket, kan ervoor zorgen dat deze begint te bewegen rond een van zijn drie assen.

Denk aan een windwijzer, een pijlvormige stok die op een dak is gemonteerd en wordt gebruikt om de windrichting te vertellen. De pijl is bevestigd aan een verticale staaf die als draaipunt fungeert. De pijl is uitgebalanceerd, dus het zwaartepunt ligt precies op het draaipunt. Als de wind waait, draait de pijl en wijst de kop van de pijl in de komende wind. De staart van de pijl wijst in de windrichting.

EEN windwijzer pijl wijst in de wind omdat de staart van de pijl een veel groter oppervlak heeft dan de pijlpunt. De stromende lucht geeft een grotere kracht aan de staart dan aan de kop, zodat de staart wordt weggeduwd. Er is een punt op de pijl waar het oppervlak aan de ene kant hetzelfde is als aan de andere. Deze plek wordt het drukcentrum genoemd. Het drukcentrum bevindt zich niet op dezelfde plaats als het zwaartepunt. Als dat zo was, zou de wind geen van beide uiteinden van de pijl begunstigen. De pijl zou niet wijzen. Het drukcentrum ligt tussen het massamiddelpunt en het uiteinde van de pijl. Dit betekent dat het staarteinde meer oppervlakte heeft dan het hoofdeinde.

Het drukcentrum in een raket moet zich naar de staart bevinden. Het zwaartepunt moet in de richting van de neus liggen. Als ze zich op dezelfde plaats of heel dicht bij elkaar bevinden, zal de raket tijdens de vlucht onstabiel zijn. Het zal proberen te draaien rond het massamiddelpunt in de steek- en gierassen, wat een gevaarlijke situatie oplevert.

Het stabiel maken van een raket vereist een vorm van controlesysteem. Besturingssystemen voor raketten houden een raket stabiel tijdens de vlucht en sturen deze. Kleine raketten hebben meestal alleen een stabiliserend regelsysteem nodig. Grote raketten, zoals die welke satellieten in een baan om de aarde lanceren, hebben een systeem nodig dat niet alleen de raket stabiliseert, maar ook in staat stelt van koers te veranderen tijdens de vlucht.

Besturingen op raketten kunnen actief of passief zijn. Passieve controles zijn vaste apparaten die raketten gestabiliseerd houden door hun aanwezigheid aan de buitenkant van de raket. Actieve bedieningselementen kunnen worden verplaatst terwijl de raket in de lucht is om het vaartuig te stabiliseren en te sturen.

De eenvoudigste van alle passieve bedieningselementen is een stick. Chinese vuur pijlen waren eenvoudige raketten die op de uiteinden van stokken waren gemonteerd en die het drukcentrum achter het massamiddelpunt hielden. Desondanks waren de vuurpijlen notoir onnauwkeurig. Er moest lucht langs de raket stromen voordat het drukcentrum van kracht kon worden. Terwijl hij nog op de grond en onbeweeglijk is, kan de pijl slingeren en de verkeerde kant op schieten.

De nauwkeurigheid van vuurpijlen werd jaren later aanzienlijk verbeterd door ze in een in de juiste richting gerichte bak te monteren. De trog leidde de pijl totdat hij snel genoeg bewoog om zelfstandig stabiel te worden.

Een andere belangrijke verbetering in raketten kwam toen stokken werden vervangen door clusters van lichtgewicht vinnen die rond het onderste uiteinde bij het mondstuk waren gemonteerd. Vinnen kunnen worden gemaakt van lichtgewicht materialen en gestroomlijnd van vorm. Ze gaven raketten een dartachtig uiterlijk. Het grote oppervlak van de vinnen hield gemakkelijk het drukcentrum achter het massamiddelpunt. Sommige onderzoekers experimenteerden zelfs de onderste uiteinden van de vinnen op een pinwheel-manier om snel ronddraaien tijdens de vlucht te bevorderen. Met deze 'spinvinnen' worden raketten veel stabieler, maar dit ontwerp veroorzaakte meer weerstand en beperkte het bereik van de raket.

Het gewicht van de raket is een cruciale factor in prestatie en bereik. De originele vuurpijlstok heeft te veel eigen gewicht aan de raket toegevoegd en daardoor zijn bereik aanzienlijk beperkt. Met het begin van de moderne raketten in de 20e eeuw werd gezocht naar nieuwe manieren om de stabiliteit van de raket te verbeteren en tegelijkertijd het algehele gewicht van de raket te verminderen. Het antwoord was de ontwikkeling van actieve controles.

Actieve controlesystemen omvatten schoepen, beweegbare vinnen, canards, cardanische sproeiers, nonieraketten, brandstofinjectie en raketten voor het regelen van de houding.

Kantelbare vinnen en canards lijken qua uiterlijk behoorlijk op elkaar - het enige echte verschil is hun locatie op de raket. Canards zijn aan de voorkant gemonteerd en kantelbare vinnen aan de achterkant. Tijdens de vlucht kantelen de vinnen en canards als roeren om de luchtstroom af te leiden en de raket van koers te laten veranderen. Bewegingssensoren op de raket detecteren ongeplande richtingsveranderingen en correcties kunnen worden aangebracht door de vinnen en canards lichtjes te kantelen. Het voordeel van deze twee apparaten is hun formaat en gewicht. Ze zijn kleiner en lichter en produceren minder weerstand dan grote vinnen.

Andere actieve controlesystemen kunnen vinnen en canards helemaal elimineren. Koerswijzigingen kunnen tijdens de vlucht worden gemaakt door de hoek te kantelen waaronder het uitlaatgas de motor van de raket verlaat. Er kunnen verschillende technieken worden gebruikt om de uitlaatrichting te wijzigen. Schoepen zijn kleine vinachtige apparaten die in de uitlaat van de raketmotor worden geplaatst. Door de schoepen te kantelen, wordt de uitlaat afgebogen en door een actie-reactie reageert de raket door de andere kant op te wijzen.

Een andere methode om de uitlaatrichting te veranderen, is door het mondstuk te cardaniseren. Een cardanisch mondstuk is er een die kan zwaaien terwijl uitlaatgassen er doorheen gaan. Door het motormondstuk in de juiste richting te kantelen, reageert de raket door van koers te veranderen.

Vernierraketten kunnen ook worden gebruikt om van richting te veranderen. Dit zijn kleine raketten die aan de buitenkant van de grote motor zijn gemonteerd. Ze vuren wanneer nodig en produceren de gewenste koersverandering.

In de ruimte kan alleen het draaien van de raket langs de rolas of het gebruik van actieve bedieningselementen waarbij de uitlaat van de motor betrokken is, de raket stabiliseren of van richting veranderen. Vinnen en canards hebben niets om aan te werken zonder lucht. Sciencefictionfilms met raketten in de ruimte met vleugels en vinnen zijn lang op fictie en kort op wetenschap. De meest voorkomende soorten actieve bedieningselementen die in de ruimte worden gebruikt, zijn attitude-controleraketten. Rondom het voertuig zijn kleine motorclusters gemonteerd. Door de juiste combinatie van deze kleine raketten af ​​te vuren, kan het voertuig in elke richting worden gedraaid. Zodra ze goed zijn gericht, vuren de hoofdmotoren en wordt de raket de nieuwe richting in gestuurd.

De massa van een raket is een andere belangrijke factor die de prestaties beïnvloedt. Het kan het verschil maken tussen een succesvolle vlucht en rondslingeren op het lanceerplatform. De raketmotor moet een stuwkracht produceren die groter is dan de totale massa van het voertuig voordat de raket de grond kan verlaten. Een raket met veel onnodige massa zal niet zo efficiënt zijn als een raket die is afgesneden tot alleen de essentiële zaken. De totale massa van het voertuig moet worden verdeeld volgens deze algemene formule voor een ideale raket:

• Eenennegentig procent van de totale massa zou drijfgassen moeten zijn.
• Drie procent zou tanks, motoren en vinnen moeten zijn.
• Het laadvermogen kan 6 procent bedragen. Payloads kunnen satellieten, astronauten of ruimtevaartuigen zijn die naar andere planeten of manen zullen reizen.

Bij het bepalen van de effectiviteit van een raketontwerp spreken raketeers in termen van massafractie of "MF". De massa van de raketstuwstoffen gedeeld door de totale massa van de raket geeft massafractie: MF = (massa van stuwstoffen) / (totale massa)

Idealiter is de massafractie van een raket 0,91. Je zou kunnen denken dat een MF van 1.0 perfect is, maar dan zou de hele raket niets meer zijn dan een brok drijfgassen die in een vuurbal zouden ontbranden. Hoe groter het MF-nummer, hoe minder laadvermogen de raket kan dragen. Hoe kleiner het MF-nummer, hoe kleiner het bereik wordt. Een MF-nummer van 0,91 is een goede balans tussen draagvermogen en bereik.

De Space Shuttle heeft een MF van ongeveer 0,82. De MF varieert tussen de verschillende orbiters in de Space Shuttle-vloot en met de verschillende laadgewichten van elke missie.

Raketten die groot genoeg zijn om ruimtevaartuigen de ruimte in te dragen, hebben ernstige gewichtsproblemen. Er is veel drijfgas nodig om de ruimte te bereiken en de juiste omloopsnelheden te vinden. Daarom worden de tanks, motoren en bijbehorende hardware groter. Tot op zekere hoogte vliegen grotere raketten verder dan kleinere raketten, maar als ze te groot worden, worden ze door hun structuren te zwaar belast. De massafractie wordt teruggebracht tot een onmogelijk aantal.

Een oplossing voor dit probleem kan worden toegeschreven aan de 16e-eeuwse vuurwerkmaker Johann Schmidlap. Hij bevestigde kleine raketten aan de top van grote. Toen de grote raket was uitgeput, werd de raketbehuizing achtergelaten en werd de resterende raket afgevuurd. Er werden veel grotere hoogten bereikt. Deze door Schmidlap gebruikte raketten werden step rockets genoemd.

Tegenwoordig wordt deze techniek van het bouwen van een raket enscenering genoemd. Dankzij enscenering is het niet alleen mogelijk geworden om de ruimte te bereiken, maar ook de maan en andere planeten. De Space Shuttle volgt het principe van de step-rocket door de solide raketboosters en de externe tank af te werpen wanneer ze geen drijfgassen meer hebben.