Kā lidojuma vadības sistēmas stabilizē raķetes

Efektīva raķešu dzinēja izveidošana ir tikai daļa no problēmas. raķete lidojumam jābūt arī stabilam. Stabila raķete ir tāda, kas lido vienmērīgā, vienotā virzienā. Nestabila raķete lido pa neparastu ceļu, dažreiz pagrimstot vai mainot virzienu. Nestabilas raķetes ir bīstamas, jo nav iespējams paredzēt, kurp tās nonāks - tās var pat apgriezties otrādi un pēkšņi doties tieši atpakaļ uz palaišanas paliktni.

Visai matērijai ir punkts iekšpusē, ko sauc par masas centru vai “CM”, neatkarīgi no tā lieluma, masas vai formas. Masas centrs ir precīza vieta, kur visa šī objekta masa ir pilnīgi līdzsvarota.

Balansējot to uz pirksta, jūs viegli varat atrast objekta - piemēram, lineāla - masas centru. Ja lineāla izgatavošanai izmantotais materiāls ir vienāda biezuma un blīvuma, masas centram jābūt pusceļā starp nūjas galu un otru. CM vairs nebūtu pa vidu, ja vienā no tā galiem tiktu iesviests smags nags. Līdzsvara punkts būtu tuvāk naga galā.

CM ir svarīgs raķešu lidojumā, jo ap šo punktu nestabila raķete krīt. Faktiski jebkuram lidojumā esošam objektam ir tendence krist. Ja iemet nūju, tā nokrīt līdz galam. Mest bumbu un tā griežas lidojumā. Vēršanās vai pagrimšana stabilizē objektu lidojumā. Frisbijs dosies tur, kur vēlaties, tikai tad, ja metīsit to ar apzinātu griezienu. Mēģiniet iemest frisbiju, neveicot tā griešanos, un jūs atklāsit, ka tas lido neparastā ceļā un tālu atpaliek no tā atzīmes, ja jūs pat varat to iemest.

Vērpšana vai pagrimšana notiek ap vienu vai vairākām trim asīm lidojuma laikā: ritošā, slīpuma un pagrieziena virzienā. Punkts, kurā krustojas visas trīs šīs asis, ir masas centrs.

Raķetes lidojumā vissvarīgākās ir slīpuma un virziena ass, jo jebkura kustība abos šajos virzienos var izraisīt raķetes novirzīšanos no kursa. Rullīša ass ir vissvarīgākā, jo pārvietošanās pa šo asi neietekmēs lidojuma trajektoriju.

Faktiski ritošā kustība palīdzēs stabilizēt raķeti tāpat kā pareizi nodots futbols tiek stabilizēts, to ripojot vai spirālējot lidojuma laikā. Kaut arī slikti izturēts futbols joprojām var lidot līdz atzīmei, pat ja tas drīzāk krīt, nevis ripo, raķete to nedarīs. Futbola piespēles darbības un reakcijas enerģiju metējs pilnībā iztērē, kad bumba atstāj roku. Izmantojot raķetes, dzinēja vilce joprojām tiek ražota, kamēr raķete atrodas lidojuma laikā. Nestabilas kustības par piķi un virziena asīm izraisīs raķetes aiziešanu no plānotā kursa. Nepieciešama vadības sistēma, lai novērstu vai vismaz samazinātu nestabilu kustību.

Vēl viens svarīgs centrs, kas ietekmē raķetes lidojumu, ir tā spiediena centrs jeb “CP”. Spiediena centrs pastāv tikai tad, ja gaiss pārvietojas garām kustīgajai raķetei. Šis plūstošais gaiss, berzējot un atspiežoties pret raķetes ārējo virsmu, var izraisīt tā kustību pa vienu no trim asīm.

Padomājiet par laika spārnu, bultām līdzīgu nūju, kas uzstādīta uz jumta un ko izmanto vēja virziena noteikšanai. Bulta ir piestiprināta pie vertikāla stieņa, kas darbojas kā šarnīra punkts. Bultiņa ir līdzsvarota, tāpēc masas centrs atrodas tieši pagrieziena punktā. Pūšot vējam, bulta pagriežas un bultas galva norāda uz gaidāmo vēju. Bultas aste ir vērsta pretvēja virzienā.

A laika sprausla bultiņa norāda uz vēju, jo bultiņas astes virsmas laukums ir daudz lielāks nekā bultiņas galviņas. Plūstošais gaiss astei piešķir lielāku spēku nekā galva, tāpēc aste tiek izstumta. Uz bultiņas ir punkts, kurā virsmas laukums vienā pusē ir vienāds ar otru. Šo vietu sauc par spiediena centru. Spiediena centrs neatrodas vienā vietā ar masas centru. Ja tā būtu, tad neviens no bultiņas galiem nebūtu vēlams. Bultiņa nenorādīs. Spiediena centrs atrodas starp masas centru un bultiņas astes galu. Tas nozīmē, ka astes galam ir lielāks virsmas laukums nekā galvas galam.

Raķetes spiediena centram jāatrodas virzienā uz asti. Masas centram jāatrodas deguna virzienā. Ja tās atrodas vienā vietā vai ļoti tuvu viena otrai, raķete lidojuma laikā būs nestabila. Tas mēģinās pagriezties par masas centru laukuma un virziena asīs, radot bīstamu situāciju.

Lai raķete būtu stabila, nepieciešama kāda veida vadības sistēma. Raķešu vadības sistēmas ļauj raķetei stabili atrasties lidojuma laikā un to vadīt. Mazām raķetēm parasti nepieciešama tikai stabilizējoša vadības sistēma. Lielajām raķetēm, piemēram, tām, kas palaiž satelītus orbītā, nepieciešama sistēma, kas ne tikai stabilizē raķeti, bet arī ļauj tai mainīt kursu lidojuma laikā.

Raķešu vadība var būt aktīva vai pasīva. Pasīvās vadības ierīces ir fiksētas ierīces, kas raķetes stabilizē, pateicoties to klātbūtnei raķetes ārpuses. Aktīvās vadības ierīces var pārvietot, kamēr raķete atrodas lidojuma laikā, lai stabilizētu un vadītu kuģi.

Vienkāršākā no visām pasīvajām vadībām ir nūja. Ķīniešu uguns bultas bija vienkāršas raķetes, kas uzstādītas uz nūju galiem, kas turēja spiediena centru aiz masas centra. Neskatoties uz to, ugunsgrēka bultiņas bija bēdīgi kļūdainas. Lai spiediena centrs varētu stāties spēkā, tam vajadzēja plūst garām raķetei. Bulta, atrodoties joprojām uz zemes un nekustīgi, var aizrauties un izšaut nepareizu ceļu.

Ugunsdzēšanas bultu precizitāte tika ievērojami uzlabota gadus vēlāk, tās uzstādot pa labi pareizajā virzienā. Bumba vadīja bultu, līdz tā pārvietojās pietiekami ātri, lai pati par sevi kļūtu stabila.

Vēl viens svarīgs uzlabojums raketrijā radās, kad nūjas nomainīja ar vieglu spuru kopām, kas uzstādītas ap apakšējo galu pie sprauslas. Spuras varēja izgatavot no viegliem materiāliem un būt pilnveidotai pēc formas. Viņi deva raķetēm šautriņām līdzīgu izskatu. Spuru lielais virsmas laukums viegli noturēja spiediena centru aiz masas centra. Daži eksperimentētāji pat ar spārnu nolieca spuru apakšējos galus, lai lidojuma laikā veicinātu ātru vērpšanu. Ar šīm "spin spurām" raķetes kļūst daudz stabilākas, taču šī konstrukcija radīja lielāku vilkmi un ierobežoja raķetes darbības rādiusu.

Raķetes svars ir kritisks veiktspējas un diapazona faktors. Oriģinālais ugunsbultas bultas sprādziens raķetei pievienoja pārāk daudz nederīgā svara un tāpēc ievērojami ierobežoja tā darbības rādiusu. Sākoties mūsdienu raķešu mākslai 20. gadsimtā, tika meklēti jauni veidi, kā uzlabot raķešu stabilitāti un vienlaikus samazināt kopējo raķešu svaru. Atbilde bija aktīvās kontroles attīstība.

Aktīvās vadības sistēmās ietilpa lāpstiņas, pārvietojamas spuras, bārdas, uzpūstām sprauslām, vernera raķetes, degvielas iesmidzināšanas un stāvokļa kontroles raķetes.

Slīpās spuras un bārdas pēc izskata ir diezgan līdzīgas - vienīgā reālā atšķirība ir to atrašanās vieta uz raķetes. Svītriņas ir uzstādītas priekšpusē, bet slīpošās spuras atrodas aizmugurē. Lidojuma laikā spuras un borti noliecas kā stūri, lai novirzītu gaisa plūsmu un izraisītu raķetes maiņu. Raķetes kustības sensori uztver neplānotas virziena izmaiņas, un korekcijas var veikt, nedaudz noliekot spuras un bārdas. Šo divu ierīču priekšrocība ir to lielums un svars. Tie ir mazāki un vieglāki un rada mazāk vilkšanas nekā lielas spuras.

Citas aktīvās vadības sistēmas var pavisam noņemt spuras un svārkus. Kursa izmaiņas var veikt lidojuma laikā, sasverot leņķi, kurā izplūdes gāzes iziet no raķetes dzinēja. Izplūdes virziena maiņai var izmantot vairākas metodes. Lentas ir mazas, līdzīgas ierīces, kas ievietotas raķešu dzinēja izpūtējā. Lāpstu slīpums novirza izplūdi, un ar reaģēšanas palīdzību raķete reaģē, norādot pretējo ceļu.

Vēl viena metode izplūdes virziena maiņai ir sprauslas uzmava. Sprausla ar spārnu ir tāda, kas spēj šūpoties, kamēr izplūdes gāzes iziet caur to. Paceļot motora sprauslu pareizajā virzienā, raķete reaģē, mainot kursu.

Vernier raķetes var izmantot arī virziena maiņai. Tās ir mazas raķetes, kas uzstādītas lielā motora ārpusē. Viņi aizdegas, kad nepieciešams, radot vēlamās kursa izmaiņas.

Kosmosā tikai raķetes vērpšana pa ruļļa asi vai aktīvo vadības ierīču izmantošana, iesaistot motora izplūdes gāzi, var stabilizēt raķeti vai mainīt tās virzienu. Ar spurām un sinepēm bez gaisa nav ko strādāt. Zinātniskās fantastikas filmas, kurās tiek rādītas raķetes kosmosā ar spārniem un spurām, ir garas fantastikai un īsas zinātnei. Visizplatītākie aktīvo vadības ierīču veidi, ko izmanto kosmosā, ir attieksmes kontroles raķetes. Visapkārt transportlīdzeklim ir uzstādītas nelielas motoru kopas. Izšaujot pareizo šo mazo raķešu kombināciju, transportlīdzekli var pagriezt jebkurā virzienā. Tiklīdz tie ir pareizi novirzīti, galvenie dzinēji aizdegas, raķeti nolaižot jaunā virzienā.

masa ir vēl viens svarīgs faktors, kas ietekmē tā darbību. Tas var atšķirt veiksmīgu lidojumu no tā, vai staigāt pa palaišanas paliktni. Raķetes motoram jārada vilce, kas ir lielāka par transportlīdzekļa kopējo masu, pirms raķete var iziet no zemes. Raķete, kurai ir daudz nevajadzīgas masas, nebūs tik efektīva kā tā, kas ir sagriezta tikai kailās lietās. Transportlīdzekļa kopējo masu vajadzētu sadalīt, izmantojot šo vispārīgo ideālās raķetes formulu:

• Deviņdesmit vienam procentam no kopējās masas vajadzētu būt degvielai.
• Trīs procentiem jābūt tvertnēm, motoriem un spurām.
• Lietderīgā slodze var sastādīt 6 procentus. Lietderīgās kravas var būt satelīti, astronauti vai kosmosa kuģi, kas ceļos uz citām planētām vai pavadoņiem.

Nosakot raķešu dizaina efektivitāti, raķetes runā masas daļas vai “MF” izteiksmē. Masas raķešu propelenti dalīti ar kopējo raķetes masu, dod masas daļu: MF = (propelentu masa) / (kopējā masa)

Ideālā gadījumā raķetes masas daļa ir 0,91. Varētu domāt, ka MF 1,0 ir perfekta, bet tad visa raķete būtu nekas vairāk kā vienreizējs propelentu vienreizējs elements, kas aizdegas ugunij. Jo lielāks ir MF numurs, jo mazāk raķeti var pārvadāt. Jo mazāks ir MF skaitlis, jo mazāks ir tā diapazons. MF skaitlis 0,91 ir labs līdzsvars starp kravnesības spēju un diapazonu.

Space Shuttle MF ir aptuveni 0,82. MF ir atšķirīgs starp dažādiem Orbītas lidmašīnu kosmosa kuģu flotē un ar atšķirīgu katras misijas kravas svaru.

Raķetes, kas ir pietiekami lielas, lai kosmosa kuģi varētu pārvadāt kosmosā, rada nopietnas svara problēmas. Lai sasniegtu kosmosu un atrastu pareizu orbītas ātrumu, ir nepieciešams liels daudzums propelenta. Tāpēc tvertnes, motori un ar tiem saistītā aparatūra kļūst lielāka. Līdz punktam lielākas raķetes lido tālāk nekā mazākas raķetes, bet, kad tās kļūst pārāk lielas, to struktūras tos nosver pārāk daudz. Masas daļa tiek samazināta līdz neiespējamam skaitlim.

Šīs problēmas risinājumu var ieskaitīt 16. gadsimta uguņošanas ierīču ražotājam Johanam Šmidlapam. Lielo augšpusē viņš piestiprināja mazas raķetes. Kad lielā raķete bija izsmelta, raķetes apvalks tika atmests, un atlikušā raķete tika izšauta. Tika sasniegti daudz augstāki augstumi. Šīs Schmidlap izmantotās raķetes sauca par pakāpju raķetēm.

Mūsdienās šo raķetes būvēšanas paņēmienu sauc par inscenējumu. Pateicoties inscenējumam, ir kļuvis iespējams nokļūt ne tikai kosmosā, bet arī uz Mēness un citām planētām. Kosmosa kuģis seko pakāpju raķešu principam, nolaižot cietos raķešu pastiprinātājus un ārējo tvertni, kad tie ir izsmelti no degvielām.