Како системи за контролу лета стабилизују ракете

Изградња ефикасног ракетног мотора само је део проблема. Тхе ракета такође морају бити стабилни у лету. Стабилна ракета је она која лети у глатком и једноличном правцу. Нестабилна ракета лети непромењивим путем, понекад се преврћући или мењајући правац. Нестабилне ракете су опасне јер није могуће предвидети куда ће кренути - чак се могу окренути наопачке и одједном се директно упутити назад до лансирне табле.

Сва материја има тачку која се назива центар масе или „ЦМ“, без обзира на њену величину, масу или облик. Средиште масе је тачно место на коме је сва маса тог предмета савршено избалансирана.

Средиште масе предмета - попут владара - лако можете пронаћи тако што ћете га уравнотежити на прсту. Ако је материјал који се користи за израду држача једнаке дебљине и густине, средиште масе треба бити на половини места између једног и другог краја штапа. ЦМ више не би био у средини када би тежак ексер био утакнут у један од његових крајева. Тачка равнотеже била би ближе крају нокта.

ЦМ је важан за лет ракете, јер нестабилна ракета пада око ове тачке. У ствари, било који предмет у лету има тенденцију да се сруши. Ако баците штап, он ће се преврнути на крају. Баци лопту и она се врти у лету. Чин спиновања или превртања стабилизује предмет у лету. Фризби ће ићи тамо где желите само ако га намерно завртите. Покушајте бацити фризби без окретања и видећете да лети неисправним путем и далеко је далеко од свог знака ако га уопште можете бацити.

Окретање или превртање се одвија око једне или више од три осе у лету: котача, нагиба и нијања. Точка у којој се све три ове осе пресецају је центар масе.

Осовина нагиба и нагиба најважнија је у лету ракете јер свако кретање у било којем од ова два правца може ракету да скрене са пута. Ос ваљка је најмање важна јер кретање по овој оси неће утицати на путању лета.

У ствари, покрет ролања ће помоћи стабилизовању ракете на исти начин на који је правилно стављен фудбал стабилизован ролањем или спиралањем током лета. Иако лоше прошао фудбал, ипак, може летјети до свог знака, чак и ако се тресне, а не котрља, ракета неће. Енергија акције и реакције фудбалске карте у потпуности троши бацача оног тренутка када лопта напусти његову руку. Са ракетама, потисак мотора и даље се производи док је ракета у лету. Нестабилни покрети оси нагиба и помака узроковат ће да ракета напусти планирани правац. Потребан је контролни систем да се спрече или бар минимизирају нестабилни покрети.

Други важан центар који утиче на лет ракете је центар притиска или „ЦП“. Центар притиска постоји само када ваздух струји кроз покретну ракету. То струјање ваздуха, трљање и гурање према спољној површини ракете може довести до тога да се почне кретати око једне од своје три осе.

Замислите временску лопатицу, штап попут стрелице постављен на крову и који служи за откривање правца ветра. Стрелица је причвршћена за вертикалну шипку која делује као точка окрета. Стрелица је избалансирана тако да је средиште масе тачно у тачки окрета. Када дува ветар, стрелица се окреће и глава стрелице упућује на надолазећи ветар. Реп стрелице показује у смеру надоле.

А ветроказ стрелица упућује на ветар јер реп стрелице има много већу површину од главе стрелице. Текући ваздух даје већој снази репу од главе, тако да се реп одгурне. На стрелици налази се тачка где је површина површине са једне и друге стране иста. То место назива се центром притиска. Центар притиска није на истом месту као центар масе. Да јесте, нити један крај стрелице не би погодовао ветру. Стрелица не би усмеравала. Средиште притиска је између средишта масе и задњег краја стрелице. То значи да крај репа има већу површину од краја главе.

Средиште притиска у ракети мора бити смештено према репу. Средиште масе мора бити смештено према носу. Ако се налазе на истом месту или су врло близу, ракета ће бити нестабилна у лету. Покушаће да се окреће око средишта масе у осе и тону, стварајући опасну ситуацију.

Да би се ракета постала стабилна потребан је неки облик система управљања. Контролни системи за ракете држе ракету стабилном у лету и управљају је. За мале ракете обично је потребан само стабилизујући систем управљања. За велике ракете, попут оних које лансирају сателите у орбиту, потребан је систем који не само да стабилизује ракету, већ и омогућава јој да промени правац током лета.

Контроле ракета могу бити активне или пасивне. Пасивне команде су фиксни уређаји који ракете стабилизују својим присуством на спољашњем делу ракете. Активне команде могу се померати док је ракета у лету за стабилизацију и управљање летелицом.

Најједноставнија од свих пасивних контрола је штап. Кинези стрелице за ватру биле су једноставне ракете монтиране на крајевима штапова који су одржавали центар притиска иза средишта масе. Упркос томе, стрелске стрелице су биле ноторно нетачне. Ваздух је морао да тече поред ракете пре него што је центар притиска могао да ступи на снагу. Док је још увек на земљи и непокретан, стрела може погрешно гађати и испалити.

Тачност ватрених стрелица знатно је побољшана годинама касније монтирањем у корито усмјерено у правом смјеру. Корито је водило стрелицу све док се није кретало довољно брзо да постане самостално стабилно.

Друго важно побољшање у ракетирању дошло је када су штапове заменили гроздови лаких пераја монтираних око доњег краја у близини млазнице. Пераје могу бити израђене од лаких материјала и бити уједначене у облику. Дали су ракетама стрелице. Велика површина пераја лако је одржавала центар притиска иза средишта масе. Неки експериментатори су чак савијали доње врхове пераја да би подстакли брзо окретање током лета. Са овим "окретним перајама", ракете постају много стабилније, али овај дизајн је произвео више вучења и ограничио домет ракете.

Тежина ракете је критични фактор перформанси и домета. Првобитна ватрена палица додала је превише мртве тежине ракети и стога знатно смањила њен домет. С почетком модерне ракетне индустрије у 20. веку тражени су нови начини за побољшање стабилности ракете и истовремено смањење укупне тежине ракете. Одговор је био развој активних контрола.

Активни контролни системи обухватали су крилце, покретне пераје, канаре, млазнице, ракете ножева, ракете за убризгавање горива и контролу положаја.

Нагибне пераје и канапи по изгледу су врло слични једнима - једина стварна разлика је њихов положај на ракети. Канади су монтирани на предњем крају, док су пераје које се нагињу страга. У лету се пераје и канапи нагињу попут кормила да би одвратили проток ваздуха и узроковали да ракета промени курс. Сензори кретања на ракети откривају непланиране промене у смеру, а корекције се могу извршити лаганим нагињањем ребара и канапара. Предност ова два уређаја је њихова величина и тежина. Мањи су и лакши и производе мање вучења од великих пераја.

Остали активни управљачки системи могу у потпуности елиминисати пераје и канале. Промене курса могу се извршити у лету нагињањем угла под којим испушни гас напушта ракетни мотор. Неколико техника се може користити за промену смера издувних гасова. Лопатице су мали уређаји слични ситницама смештеним у издувном систему ракетног мотора. Нагињање лопатица одбија оддувни гас, а реакцијом дејства ракета реагује показујући супротно.

Друга метода за промену смера издувног система је усмеравање млазнице. Млазна сапница је она која може да се љушти док издувни гасови пролазе кроз њу. Нагнувши млазницу мотора у правом смеру, ракета реагује променом курса.

Ракете Верниер такође се могу користити за промену смера. То су мале ракете монтиране на спољашњој страни великог мотора. Они пуцају по потреби, производећи жељену промену курса.

У простору, само ротирање ракете по оси рола или коришћење активних контрола које укључују испух мотора може стабилизовати ракету или променити смер. Пераје и канари немају шта да раде без ваздуха. Филмови научне фантастике који приказују ракете у свемиру с крилима и перајама дуго су фантастични, а кратки науком. Најчешће врсте активних контрола које се користе у свемиру су ракете за контролу положаја. Мали гроздови мотора су постављени свуда око возила. Испаљивањем праве комбинације ових малих ракета возило се може окренути у било ком правцу. Чим се правилно усмере, главни мотори се гађају, шаљући ракету у новом правцу.

Тхе маса ракета је још један важан фактор који утиче на његове перформансе. То може направити разлику између успешног лета и пливања около на лансирној плочици. Ракетни мотор мора да произведе потисак већи од укупне масе возила пре него што ракета може да напусти земљу. Ракета са пуно непотребне масе неће бити тако ефикасна као она која је уређена само добрим основама. Укупна маса возила се расподељује на основу ове опште формуле за идеалну ракету:

• Деведесет и један проценат укупне масе требало би да буде гориво.
• Три одсто би требало да буду резервоари, мотори и пераје.
• Корисни терет може износити 6 процената. Корисни терети могу бити сателити, астронаути или свемирске летелице које ће путовати на друге планете или месеце.

У одређивању ефикасности ракетног дизајна, ракетери говоре у смислу масне фракције или „МФ”. Маса ракетна горива расподељена на укупну масу ракете дају масни удио: МФ = (маса погонског горива) / (укупна маса)

У идеалном случају, масни удио ракете је 0,91. Могло би се помислити да је МФ од 1.0 савршен, али тада цела ракета неће бити ништа више од гомиле погонских горива која би се запалила у ватрену куглу. Што је већи МФ број, ракета може да носи мање корисног терета. Мањи је МФ број, постаје и његов распон. МФ број од 0,91 је добар баланс између могућности преноса терета и распона.

МФ има приближно 0,82. МФ варира између различитих орбита у флоти свемирског шатла и са различитим тежинама оптерећења сваке мисије.

Ракете које су довољно велике да носе свемирске летелице у свемир имају озбиљне проблеме са тежином. Потребно им је много погонског горива да достигну простор и пронађу одговарајуће орбиталне брзине. Због тога резервоари, мотори и припадајући хардвер постају већи. До неког тренутка веће ракете лете даље од мањих ракета, али кад постану превелике, њихове структуре их превише оптерећују. Масени удио се своди на немогући број.

Решење за овај проблем може се сматрати произвођачем ватромета из 16. века Јоханном Сцхмидлапом. Прикачио је мале ракете на врх великих. Када се велика ракета исцрпила, кућиште ракете је пало иза, а преостала ракета испаљена. Постигнуте су много веће висине. Ове ракете које је Сцхмидлап користио биле су назване степ ракетама.

Данас се ова техника прављења ракете назива инсценација. Захваљујући инсценацији постало је могуће не само достићи свемир, већ и Месец и друге планете. Свемирски шатл следи принцип ракете корака одбацујући своје чврсте ракетне потиснике и спољни резервоар када су исцрпљени.