Kuidas lennujuhtimissüsteemid rakette stabiliseerivad?

Tõhusa rakettmootori ehitamine on vaid osa probleemist. rakett peab olema ka lendudel stabiilne. Stabiilne rakett on see, mis lendab sujuvas, ühtlases suunas. Ebastabiilne rakett lendab mööda ebakorrektset rada, mõnikord kallutades või suunda muutes. Ebastabiilsed raketid on ohtlikud, kuna pole võimalik ennustada, kuhu nad lähevad - need võivad isegi tagurpidi pöörduda ja suunata äkki otse stardipadja juurde.

Igal ainel on punkt, mida nimetatakse massikeskuseks ehk CM-ks, sõltumata selle suurusest, massist või kujust. Massi keskpunkt on täpne koht, kus kogu objekti mass on ideaalselt tasakaalus.

Objekti - näiteks joonlaua - massikeskme leiate hõlpsalt, kui tasakaalustate seda sõrmega. Kui joonlaua valmistamiseks kasutatud materjal on ühtlase paksuse ja tihedusega, peaks massi keskpunkt jääma kepi ühe otsa ja teise poole vahelisse kohta. CM ei oleks enam keskel, kui selle ühte otsa sõidetaks raske nael. Tasakaalupunkt oleks küünte otsaga lähemal.

CM on raketilendudel oluline, kuna ebastabiilne rakett kaldub selle punkti ümber. Tegelikult kipub iga lendus olev objekt ümber kukkuma. Kui viskate kepi, kukub see ots otsaga otsa. Viska pall ja see keerutab lendu. Ketrus- või ümberminek stabiliseerib lennu ajal oleva objekti. Frisbee läheb sinna, kuhu soovite, ainult siis, kui viskate selle tahtliku keerutusega. Proovige visata frisbee ilma seda keerutamata ja näete, et see lendab ebakorrektsele teele ja jääb oma märgist kaugele alla, kui suudate seda isegi visata.

Ketrus või viskamine toimub lennu ajal ühe või enama kolme telje ümber: rull-, kalle- ja pöördetelg. Punkt, kus kõik need kolm telge ristuvad, on massi keskpunkt.

Raketi lennul on kõige olulisemad sammud ja pöördeteljed, kuna mis tahes liikumine mõlemas kahes suunas võib põhjustada raketi kursilt väljumise. Rulltelg on kõige vähem oluline, kuna piki seda telge liikumine ei mõjuta lennutrajektoori.

Tegelikult aitab veerev liikumine raketti stabiliseerida samamoodi nagu õigesti läbitud jalgpall stabiliseeritakse seda lennu ajal veeremise või spiraalimisega. Ehkki halvasti läbitud jalgpall võib ikkagi oma märgi alla lennata, isegi kui see pigem langeb kui veereb, siis rakett seda ei tee. Jalgpallikäigu tegevus- ja reaktsioonienergia kulutab viskaja täielikult hetkest, mil pall lahkub tema käest. Rakettidega toodetakse mootorilt tõukejõudu raketi lennu ajal. Ebapüsivad sammud sammu ja pöördetelgede suhtes põhjustavad raketi lahkumist kavandatud kursilt. Ebastabiilsete liikumiste vältimiseks või vähemalt minimeerimiseks on vaja kontrollsüsteemi.

Teine oluline keskpunkt, mis mõjutab raketi lendu, on selle rõhu keskpunkt ehk CP. Rõhu keskpunkt eksisteerib ainult siis, kui õhk voolab liikuvast raketist mööda. See voolav õhk, mis hõõrub ja surub vastu raketi välispinda, võib põhjustada selle liikumise ümber oma kolme telje.

Mõelge ilmaterast, nooletaolisele pulgale, mis on paigaldatud katusele ja mida kasutatakse tuule suuna määramiseks. Nool on kinnitatud vertikaalse varda külge, mis toimib pöördepunktina. Nool on tasakaalus, nii et massi keskpunkt on otse pöördepunktis. Kui tuul puhub, nool pöördub ja noole pea osutab lähenevale tuulele. Noole saba osutab allatuule suunas.

A tuulelipp nool osutab tuule poole, kuna noole sabal on palju suurem pind kui nooleotsal. Voolav õhk annab sabale suurema jõu kui pea, nii et saba lükatakse eemale. Noolel on punkt, kus pindala on ühel küljel sama. Seda kohta nimetatakse rõhu keskpunktiks. Rõhu keskpunkt ei asu massi keskmega samas kohas. Kui oleks, siis pole tuule poolt noole kumbagi otsa. Nool ei osuta. Rõhu keskpunkt asub massikeskme ja noole sabaotsa vahel. See tähendab, et sabaotsal on rohkem pinda kui peaotsa.

Raketi rõhu keskpunkt peab asuma saba poole. Massi keskpunkt peab asuma nina suunas. Kui nad asuvad samas kohas või üksteise lähedal, on rakett lennu ajal ebastabiilne. See proovib pöörduda massi keskpunkti suhtes sammu ja suunatelgedel, tekitades ohtliku olukorra.

Raketi stabiilseks muutmine nõuab teatavat tüüpi juhtimissüsteemi. Rakettide juhtimissüsteemid hoiavad raketi lennu ajal stabiilsena ja juhivad seda. Väikesed raketid vajavad tavaliselt ainult stabiliseerivat juhtimissüsteemi. Suured raketid, näiteks need, mis lasevad satelliidid orbiidile, vajavad süsteemi, mis mitte ainult ei stabiliseeri raketti, vaid võimaldab ka lennu ajal kurssi muuta.

Raketid võivad olla aktiivsed või passiivsed. Passiivsed juhtimisseadmed on fikseeritud seadmed, mis hoiavad rakette stabiliseerituna nende olemasolu tõttu raketi välispinnal. Laeva stabiliseerimiseks ja juhtimiseks saab aktiivseid juhtnuppe raketi lennu ajal liigutada.

Kõigist passiivsetest juhtelementidest on kõige lihtsam kepp. Hiina keel tule nooled olid pulgade otstesse paigaldatud lihtsad raketid, mis hoidsid rõhu keskpunkti massikeskme taga. Tule nooled olid sellest hoolimata kurikuulsalt ebatäpsed. Õhk pidi raketi kohal voolama, enne kui rõhu keskpunkt võiks jõustuda. Olles endiselt maapinnal ja liikumatult, võib nool libiseda ja tulistada valel viisil.

Tuletõrje noolte täpsust parandati aastaid hiljem tunduvalt, paigaldades need õigesse otsale. Madalik juhtis noolt, kuni see liikus piisavalt kiiresti, et iseseisvalt stabiilseks muutuda.

Veel üks oluline paranemine raketis saavutati siis, kui pulgad asendati düüsi lähedale alumise otsa külge kinnitatud kergete uimede klastritega. Peenrad võiksid olla valmistatud kergetest materjalidest ja kuju võiksid olla sujuvamad. Nad andsid rakettidele viskamise moodi välimuse. Uimede suur pind hoidis massikeskme taga hõlpsalt rõhu keskpunkti. Mõned eksperimenteerijad painutasid uimede alumisi tippe isegi tiiviku abil, et soodustada lendudel kiiret ketramist. Nende "spin-uimedega" muutuvad raketid palju stabiilsemaks, kuid see disain tekitas rohkem tõmmet ja piiras raketi leviala.

Raketi kaal on jõudluse ja ulatuse jaoks kriitiline tegur. Esialgne tuletõrje noolekepp lisas raketile liiga palju surnukaalu ja piiras seetõttu märkimisväärselt selle ulatust. Kaasaegse raketitegevuse algusega 20. sajandil otsiti uusi võimalusi raketi stabiilsuse parandamiseks ja samal ajal raketi üldise kaalu vähendamiseks. Vastus oli aktiivsete kontrollide väljatöötamine.

Aktiivsete juhtimissüsteemide hulka kuulusid tiivad, teisaldatavad uimed, plaadid, kõverdatud pihustid, vernierraketid, kütuse sissepritse- ja hoiatuskontrolliraketid.

Kallutavad uimed ja kannel on välimuselt üsna sarnased - ainus tegelik erinevus on nende asukoht raketil. Küünlad paigaldatakse esiotsa, samal ajal kui kallutavad uimed on taga. Lennu ajal kallutavad uimed ja kanarbid nagu roolid, et õhuvoolu suunata ja põhjustada raketi kursi muutmise. Raketi liikumisandurid tuvastavad planeerimata suuna muutused ning parandusi saab teha, kui uime ja kande veidi kallutada. Nende kahe seadme eeliseks on nende suurus ja kaal. Need on väiksemad ja kergemad ning tekitavad vähem lohku kui suured uimed.

Teised aktiivsed juhtimissüsteemid võivad uimed ja otsad täielikult kõrvaldada. Kursuse muutusi saab lennu ajal teha, kallutades nurka, mille jooksul heitgaas raketi mootorist väljub. Heitgaasi suuna muutmiseks saab kasutada mitut tehnikat. Tiivad on väikesed raketi moodi seadmed, mis asetatakse rakettmootori heitgaasi sisse. Tiivikute kallutamine suunab heitgaasi välja ja reageerib rakett vastassuunaga.

Teine meetod heitgaasi suuna muutmiseks on düüsi pingutamine. Rõngastihendiga otsik on see, mis suudab kõikuda, kui heitgaasid sellest läbi lähevad. Mootori düüsi õiges suunas kallutades reageerib rakett kurssi muutes.

Vernieri rakette saab kasutada ka suuna muutmiseks. Need on suured mootorid, mis on paigaldatud suure mootori välisküljele. Need süttivad vajadusel, muutes soovitud kursimuutuse.

Kosmoses saab raketi stabiliseerida või selle suunda muuta ainult keerutades mööda veeremistelge või kasutades mootori heitgaase kaasavaid aktiivseid juhtimisseadmeid. Ubadel ja kanneldel pole ilma õhuta midagi töötada. Ulmefilmid, milles näidatakse kosmoserakette tiibade ja uimedega, on pikad ilukirjandusest ja lühikesed teadusest. Kosmos kasutatavad kõige tavalisemad aktiivsed juhtimisseadmed on hoiakujuhtimise raketid. Sõiduki ümber on paigaldatud väikesed mootoriklastrid. Tulistades nendest väikestest rakettidest õige kombinatsiooni, saab sõidukit pöörata igas suunas. Niipea, kui need on õigesti suunatud, põleb peamasinad, saates raketi uues suunas.

mass raketi jõudlus on veel üks oluline tegur, mis mõjutab selle jõudlust. See võib teha vahet eduka lennu ja stardiplaadil ringi kõndimise vahel. Enne raketi maapinnast lahkumist peab rakettmootor tekitama tõukejõu, mis on suurem kui sõiduki kogumass. Rakett, milles on palju ebavajalikku massi, ei ole nii tõhus kui see, mis on trimmitud vaid hädavajalikuks. Sõiduki kogumass tuleks ideaalse raketi jaoks jaotada järgmiselt:

• 90 protsenti kogumassist peaks olema raketikütused.
• Kolm protsenti peaksid olema tankid, mootorid ja uimed.
• Kasulik koormus võib moodustada 6 protsenti. Kasulik koormus võib olla satelliit, astronaut või kosmoselaev, mis reisib teistele planeetidele või kuudele.

Raketi konstruktsiooni efektiivsuse määramisel räägivad raketid massiosa ehk “MF” tähenduses. Massi raketi raketikütused jagatud raketi kogumassiga annavad massiosa: MF = (raketikütuse mass) / (kogumass)

Ideaalis on raketi massifraktsioon 0,91. Võib arvata, et MF 1,0 on täiuslik, kuid siis poleks kogu rakett midagi muud kui tulekera sisse süttiv raketikütus. Mida suurem on MF-number, seda vähem kasulikku koormust rakett suudab kanda. Mida väiksem on MF-i number, seda väiksemaks selle vahemik muutub. MF-arv 0,91 on hea tasakaal kandevõime ja ulatuse vahel.

Kosmosesüstiku MF on umbes 0,82. MF varieerub kosmoselaevade laevastiku eri orbiitrite vahel ja iga missiooni erineva kasuteguri korral.

Raketid, mis on piisavalt suured, et kosmoseaparaate kosmosesse viia, on tõsiste raskustega. Nende kosmosesse jõudmiseks ja sobivate orbitaalkiiruste leidmiseks on vaja palju raketikütust. Seetõttu muutuvad mahutid, mootorid ja nendega seotud riistvara suuremaks. Kuni punktini lendavad suuremad raketid kaugemale kui väiksemad raketid, kuid kui need muutuvad liiga suureks, kaaluvad nad neid liiga palju. Massiosa vähendatakse võimatuks arvuks.

Sellele probleemile saab lahenduse 16. sajandi ilutulestiku valmistaja Johann Schmidlap. Ta kinnitas väikeste rakettide suurte külge. Kui suur rakett oli ammendatud, visati raketi korpus maha ja järelejäänud rakett tulistati. Saavutati palju kõrgemad kõrgused. Neid rakette, mida Schmidlap kasutas, nimetati sammrakettideks.

Tänapäeval nimetatakse seda raketi ehitamise tehnikat lavastamiseks. Tänu lavastamisele on muutunud võimalikuks mitte ainult kosmosesse jõudmine, vaid ka Kuule ja teistele planeetidele. Kosmosesüstik järgib astmelise raketi põhimõtet, kukutades maha tahke raketi süütevõimendi ja välise paagi, kui nad on raketikütuse ammendunud.