Stabilitate rachetă și sisteme de control al zborului

Construirea unui motor rachetă eficient este doar o parte a problemei. Racheta trebuie să fie, de asemenea, stabilă în zbor. O rachetă stabilă este cea care zboară într-o direcție lină, uniformă. O rachetă instabilă zboară de-a lungul unei căi neplăcute, uneori căzând sau schimbând direcția. Rachete instabile sunt periculoase, deoarece nu este posibil să prezicem unde vor merge - s-ar putea chiar să se întoarcă cu capul în jos și să se îndrepte brusc direct înapoi pe suportul de lansare.

Ce face o rachetă stabilă sau instabilă?

Toată materia are un punct în interior numit centru de masă sau „CM”, indiferent de mărimea, masa sau forma acesteia. Centrul de masă este locul exact în care toată masa acelui obiect este perfect echilibrată..

Puteți găsi cu ușurință centrul de masă al unui obiect - cum ar fi o riglă - echilibrându-l pe deget. Dacă materialul folosit pentru confecționarea riglei este de grosime și densitate uniformă, centrul de masă ar trebui să fie la jumătatea distanței dintre un capăt al bățului și celălalt. CM nu ar mai fi la mijloc dacă o unghie grea ar fi fost condusă într-unul din capetele sale. Punctul de echilibru ar fi mai aproape de sfârșitul cu unghia.

CM este importantă în zborul rachetelor, deoarece o rachetă instabilă se declanșează în jurul acestui punct. De fapt, orice obiect din zbor are tendința de a se prăbuși. Dacă aruncați un băț, acesta se va lăsa peste capăt. Arunca o minge și se învârte în zbor. Actul de a învârti sau de a se roti stabilizează un obiect în zbor. Un Frisbee va merge acolo unde doriți să meargă numai dacă îl aruncați cu un rotire deliberat. Încercați să aruncați un Frisbee fără să-l învârtiți și veți descoperi că zboară pe o cale neplăcută și se încadrează departe de amprenta sa, chiar dacă o puteți arunca deloc. 

Roll, Pitch și Yaw

Învârtirea sau zbuciumul are loc în jurul uneia sau a mai multor trei axe în zbor: rola, pasul și scobitoarea. Punctul în care toate aceste axe se intersectează este centrul de masă.

Axa de pasare și de scurgere sunt cele mai importante în zborul rachetelor, deoarece orice mișcare în oricare dintre aceste două direcții poate determina racheta să plece. Axa de rulare este cea mai puțin importantă, deoarece mișcarea de-a lungul acestei axe nu va afecta calea de zbor.

De fapt, o mișcare de rulare va ajuta la stabilizarea rachetei în același mod în care un fotbal trecut corect este stabilizat prin rulare sau spiralare în zbor. Deși un fotbal slab trecut poate să zboare în amprenta sa, chiar dacă se aruncă mai degrabă decât pe role, o rachetă nu o va face. Energia de acțiune-reacție a unei pase de fotbal este complet cheltuită de aruncător în momentul în care mingea părăsește mâna. Cu rachetele, tracțiunea de la motor este încă produsă în timp ce racheta este în zbor. Mișcările instabile cu privire la pasul și axele de prindere vor determina racheta să părăsească cursul planificat. Este necesar un sistem de control pentru prevenirea sau cel puțin minimizarea mișcărilor instabile.

Centrul de presiune

Un alt centru important care afectează zborul unei rachete este centrul ei de presiune sau „CP”. Centrul de presiune există numai atunci când aerul curge pe lângă racheta în mișcare. Acest aer care curge, se freacă și se împinge pe suprafața exterioară a rachetei, poate determina ca acesta să înceapă să se miște în jurul uneia dintre cele trei axe ale acesteia.

Gândiți-vă la o paletă meteorologică, un băț în formă de săgeată montat pe un acoperiș și folosit pentru a spune direcția vântului. Săgeata este atașată de o tijă verticală care acționează ca un punct de pivot. Săgeata este echilibrată, astfel încât centrul de masă este chiar în punctul de pivot. Când bate vântul, săgeata se transformă și capul săgeții indică vântul care vine. Coada săgeții indică direcția în jos.

O săgeată meteorică indică vântul, deoarece coada săgeții are o suprafață mult mai mare decât vârful săgeții. Aerul care curge conferă cozii o forță mai mare decât capul, astfel încât coada este împinsă departe. Există un punct pe săgeată unde suprafața este aceeași pe o parte ca pe cealaltă. Acest punct este numit centrul presiunii. Centrul de presiune nu se află în același loc cu centrul de masă. Dacă ar fi fost, atunci niciun capăt al săgeții nu ar fi favorizat de vânt. Săgeata nu ar indica. Centrul de presiune este cuprins între centrul de masă și capătul cozii săgeții. Aceasta înseamnă că capătul cozii are mai multă suprafață decât capătul.

Centrul de presiune dintr-o rachetă trebuie să fie amplasat spre coadă. Centrul de masă trebuie să fie situat spre nas. Dacă se află în același loc sau foarte aproape unul de celălalt, racheta va fi instabilă în zbor. Se va încerca să se rotească în jurul centrului de masă în ax și la axele de tăiere, producând o situație periculoasă.

Sistem de control

Realizarea unei rachete stabile necesită o formă de sistem de control. Sistemele de control pentru rachete mențin o rachetă stabilă în zbor și o direcționează. Rachete mici necesită de obicei doar un sistem de control stabilizator. Rachete mari, cum ar fi cele care lansează sateliții pe orbită, necesită un sistem care nu numai că stabilizează racheta, dar îi permite să schimbe cursul în timpul zborului.

Controalele pe rachete pot fi active sau pasive. Comenzile pasive sunt dispozitive fixe care mențin rachetele stabilizate prin prezența lor chiar pe exteriorul rachetei. Controalele active pot fi mutate în timp ce racheta este în zbor pentru a se stabiliza și a conduce ambarcațiunea.

Controale pasive

Cel mai simplu dintre toate controalele pasive este un stick. Săgețile de foc chinezești erau simple rachete montate pe capetele tijelor care păstrau centrul presiunii în spatele centrului de masă. Săgețile de foc erau în mod notoriu inexacte, în ciuda acestui lucru. Aerul trebuia să curgă pe lângă rachetă înainte ca centrul de presiune să intre în vigoare. În timp ce este încă pe pământ și imobil, săgeata s-ar putea prăbuși și trage în mod greșit.