כיצד מערכות בקרת טיסה מייצבות רקטות

בניית מנוע טילים יעיל היא רק חלק מהבעיה. ה טיל חייב להיות גם יציב בטיסה. רקטה יציבה היא כזו שעפה לכיוון חלק ואחיד. רקטה לא יציבה טסה בשביל לא סדיר, לפעמים נופלת או משנה כיוון. רקטות לא יציבות הן מסוכנות מכיוון שלא ניתן לחזות לאן הן ילכו - הן אפילו עלולות להתהפך ולפתע לפנות ישירות אל רפידת השיגור.

לכל החומר יש נקודה בפנים המכונה מרכז המסה או "CM", ללא קשר לגודלו, המסה או הצורה שלו. מרכז המסה הוא הנקודה המדויקת בה כל המסה של אותו אובייקט מאוזנת לחלוטין.

תוכלו למצוא בקלות את מרכז המסה של חפץ - כמו סרגל - על ידי איזון זה על האצבע. אם החומר המשמש לייצור הסרגל הוא בעובי וצפיפות אחידים, מרכז המסה צריך להיות בנקודת הדרך שבין קצה אחד המקל לקצה. ה- CM כבר לא יהיה באמצע אם מסמר כבד היה מונע לאחד מקצותיו. נקודת האיזון תהיה קרובה יותר לסוף עם הציפורן.

CM חשוב בטיסת טילים מכיוון שרקטה לא יציבה נופלת סביב נקודה זו. למעשה, כל חפץ בטיסה נוטה להתגלגל. אם תזרוק מקל, הוא יתגלגל בסוף על הקצה. זורקים כדור וזה מסתובב בטיסה. פעולת הטוויה או הנפילה מייצבת אובייקט במעופו. פריסבי ילך לאן שאתה רוצה, רק אם אתה זורק אותו בסיבוב מכוון. נסה לזרוק פריסבי בלי להסתובב ותגלה שהוא טס בשביל לא יציב ונפל בהרבה מסימניו אם אתה בכלל יכול לזרוק אותו בכלל.

סיבוב או נפילה מתרחשים סביב אחד או יותר משלושה צירים בטיסה: גלגול, המגרש והטה. הנקודה בה שלושת הצירים הללו מצטלבים היא מרכז המסה.

צירי המגרש והסיבוב הם החשובים ביותר בטיסת הרקטות מכיוון שכל תנועה בשני משני הכיוונים הללו עלולה לגרום לטיל לצאת מהרקטה. ציר הגלילה הוא הפחות חשוב מכיוון שתנועה לאורך ציר זה לא תשפיע על מסלול הטיסה.

למעשה, תנועה מתגלגלת תעזור לייצב את הרקטה באותה דרך שבה מייצב כדורגל שהועבר כראוי על ידי גלגולו או התפתלותו בטיסה. אף על פי שכדורגל שעבר בצורה גרועה עדיין עשוי לעוף לחותמו גם אם הוא נופל ולא מתגלגל, רקטה לא תעשה זאת. אנרגיית התגובה לפעולה של מעבר כדורגל מועברת לחלוטין על ידי הזורק ברגע שהכדור עוזב את ידו. בעזרת רקטות, הדחף מהמנוע עדיין מיוצר בזמן שהרקטה בתנופה. תנועות לא יציבות סביב המגרש וצירי הפהקים יגרמו לרקטה לעזוב את המסלול המתוכנן. דרושה מערכת בקרה למניעה או לפחות למזעור תנועות לא יציבות.

מרכז חשוב נוסף המשפיע על טיסת הרקטה הוא מרכז הלחץ שלו או "CP". מרכז הלחץ קיים רק כאשר האוויר זורם מעבר לטיל הנע. האוויר הזורם הזה, משפשף ודוחף אל פני השטח החיצוניים של הרקטה, יכול לגרום לו להתחיל לנוע סביב אחד משלושת הצירים שלו.

חשוב על שביב מזג האוויר, מקל דמוי חץ המותקן על הגג ומשמש להגדרת כיוון הרוח. החץ מחובר למוט אנכי המשמש כנקודת ציר. החץ מאוזן כך שמרכז המסה נמצא ממש בנקודת הציר. כאשר הרוח נושבת, החץ מסתובב וראש החץ מצביע לרוח המתקרבת. זנב החץ מצביע לכיוון רוח הרוח.

א שבשבת החץ מצביע לרוח מכיוון שלזנב החץ יש שטח פנים גדול בהרבה מראשי החץ. האוויר הזורם מעניק כוח לזנב גדול יותר מהראש כך שהזנב נדחק משם. יש נקודה על החץ שבה שטח הפנים זהה בצד אחד כמו השני. נקודה זו נקראת מרכז הלחץ. מרכז הלחץ אינו נמצא באותו מקום שמרכז המסה. אם זה היה, אז אף קצה החץ לא היה מועדף על ידי הרוח. החץ לא היה מכוון. מרכז הלחץ הוא בין מרכז המסה לקצה הזנב של החץ. המשמעות היא שלקצה הזנב יש שטח פנים גדול יותר מקצה הראש.

מרכז הלחץ ברקטה חייב להיות ממוקם לכיוון הזנב. מרכז המיסה חייב להיות ממוקם לכיוון האף. אם הם נמצאים באותו מקום או קרוב מאוד זה לזה, הרקטה תהיה לא יציבה בטיסה. הוא ינסה להסתובב סביב מרכז המסה במגרש ובצירי הפהקים ולייצר מצב מסוכן.

הפעלת רקטה יציבה דורשת צורה כלשהי של מערכת בקרה. מערכות בקרה לרקטות שומרות על טיל יציב במעופו ומנווט אותו. רקטות קטנות בדרך כלל דורשות מערכת בקרה מייצבת בלבד. רקטות גדולות, כמו אלה המשגרות לוויינים למסלול, דורשות מערכת שלא רק מייצבת את הרקטה אלא גם מאפשרת לה לשנות מסלול בזמן טיסה.

בקרות על רקטות יכולות להיות פעילות או פסיביות. פקדים פסיביים הם התקנים קבועים השומרים על ייצוב הרקטות מעצם נוכחותם בחלקה החיצוני של הטיל. ניתן להזיז פקדים פעילים בזמן שהרקטה בתעופה כדי לייצב ולהנווט את כלי השיט.

הפשוט ביותר מבין כל הפקדים הפסיביים הוא מקל. סינית חיצי אש היו רקטות פשוטות שהותקנו על קצות המקלות ששמרו על מרכז הלחץ מאחורי מרכז המיסה. חץי אש לא היו מדויקים לשמצה למרות זאת. אוויר היה צריך לזרום על פני הרקטה לפני שמרכז הלחץ יכול להיכנס לתוקף. בעודו על הקרקע ונטול תנועה, החץ עשוי להתנודד ולירות בדרך הלא נכונה.

הדיוק של חיצי אש שופר משמעותית שנים לאחר מכן על ידי הרכבתם בתוך שוקת המכוונת לכיוון הנכון. השוקת הובילה את החץ עד שהוא זז די מהר בכדי להיות יציב מעצמו.

שיפור חשוב נוסף ברקטות הגיע כאשר מקלות הוחלפו באשכולות סנפירים קלים שהורכבו סביב הקצה התחתון ליד הזרבובית. סנפירים יכולים להיות עשויים מחומרים קלים ולהתייעל בצורה. הם נתנו לרקטות מראה דמוי חץ. שטח הפנים הגדול של הסנפירים שמר בקלות על מרכז הלחץ מאחורי מרכז המסה. חלק מהנסיינים אפילו כופפו את קצות הסנפירים התחתונים בצורה גלגלת סיכה כדי לקדם סיבוב מהיר בטיסה. עם "סנפירי הספין" הללו, הרקטות הופכות ליציבות הרבה יותר, אך עיצוב זה ייצר גרירה רבה יותר והגביל את טווח הרקטה.

משקל הרקטה הוא גורם קריטי לביצועים ולטווח. מקל חץ האש המקורי הוסיף משקל רב מדי לרקטה ולכן הגביל את טווחו במידה ניכרת. עם תחילת הטילים המודרניים במאה ה -20, נדרשו דרכים חדשות לשיפור יציבות הטילים ובמקביל להפחתת משקל הרקטה הכללי. התשובה הייתה פיתוח בקרים פעילים.

מערכות בקרה אקטיביות כללו טנדרים, סנפירים ניידים, קנארדים, חרירי חרס, רקטות ורניר, הזרקת דלק וטילי בקרת גישה.

סנפירי הטיה וקנריות דומים זה לזה במראהם - ההבדל האמיתי היחיד הוא מיקומם על הרקטה. קנלים מותקנים בקצה הקדמי כאשר סנפירי הטיה מאחור. בטיסה, הסנפירים והקנדרים נוטים כמו הגה כדי להסיט את זרימת האוויר ולגרום לרקטה לשנות מסלול. חיישני תנועה על הרקטה מגלים שינויי כיוון לא מתוכננים וניתן לבצע תיקונים על ידי הטיית מעט הסנפירים והקנדרים. היתרון של שני המכשירים הללו הוא גודל ומשקלם. הם קטנים וקלים יותר ומייצרים פחות גרירה מאשר סנפירים גדולים.

מערכות בקרה אקטיביות אחרות יכולות לסלק סנפירים וברדים לחלוטין. ניתן לבצע שינויים כמובן בטיסה על ידי הטיית הזווית בה גז הפליטה עוזב את המנוע של הרקטה. ניתן להשתמש במספר טכניקות לשינוי כיוון הפליטה. טנדרים הם מכשירים קטנים דמויי סנפיר המונחים בתוך הפליטה של ​​מנוע הטיל. הטיה של השוטרים מסיטה את האגזוז, ועל ידי תגובת פעולה, הרקטה מגיבה על ידי הצבעה הפוכה.

שיטה נוספת לשינוי כיוון הפליטה היא סיבוב הזרבובית. זרבובית מסועפת היא אחת המסוגלת להתנדנד בזמן שגזי פליטה עוברים דרכה. על ידי הטיית זרבובית המנוע לכיוון הנכון, הרקטה מגיבה על ידי שינוי מסלול.

ניתן להשתמש ברקטות ורניר גם לשינוי כיוון. אלה רקטות קטנות המותקנות בחלקו החיצוני של המנוע הגדול. הם יורים בעת הצורך ומייצרים את שינוי הקורס הרצוי.

בחלל, רק סיבוב הרקטה לאורך ציר הגלילה או שימוש בפקדים פעילים הכרוכים בפליטת המנוע יכולים לייצב את הרקטה או לשנות את כיוונה. לסנפירים ובריכות אין על מה לעבוד בלי אוויר. סרטי מדע בדיוני המראים רקטות בחלל עם כנפיים וסנפירים הם ארוכים על בדיוני וקצרים במדע. הסוגים הנפוצים ביותר של פקדים פעילים המשמשים בחלל הם רקטות לבקרת גישה. מסביב לרכב מותקנים אשכולות קטנים של מנועים. על ידי ירי השילוב הנכון בין הרקטות הקטנות הללו, ניתן לסובב את הרכב לכל כיוון. ברגע שהם מכוונים כראוי, המנועים הראשיים נורים, ומשגרים את הרקטה לכיוון החדש.

ה מסה של רקטה הוא גורם חשוב נוסף המשפיע על ביצועיו. זה יכול לעשות את ההבדל בין טיסה מוצלחת להתבוסס על משטח השיגור. על המנוע של הרקטה לייצר דחף שהוא גדול יותר מהמסה הכוללת של הרכב לפני שהרקטה יכולה לצאת מהקרקע. רקטה עם הרבה מסה מיותרת לא תהיה יעילה כמו אחת שמוצמדת רק למהות החשופה. יש לחלק את המסה הכוללת של הרכב לפי נוסחה כללית זו עבור טיל אידיאלי:

• תשעים ואחד אחוזים מכלל המסה אמורים להיות דחפים.
• שלושה אחוזים צריכים להיות טנקים, מנועים וסנפירים.
• עומס יכול להוות 6 אחוזים. עומסי מטען עשויים להיות לוויינים, אסטרונאוטים או חלליות שיסעו לפלנטות או ירחים אחרים.

בקביעת היעילות של תכנון טילים, הרקטות מדברות במונחים של שבר המוני או "MF". המסה של חומרי הנעה של הרקטה המחולקים במסה הכוללת של הרקטה נותנים שבריר מסיבי: MF = (מסת המונעים) / (סך המסה)

באופן אידיאלי, חלק המסה של הרקטה הוא 0.91. אפשר לחשוב שמדגם MF של 1.0 הוא מושלם, אבל אז הרקטה כולה תהיה לא יותר מגוש דלקים שיצית לכדור אש. ככל שמספר ה- MF גדול יותר, כך הרקטה יכולה לשאת פחות מטען. ככל שמספר ה- MF קטן יותר, כך הטווח שלו הופך להיות פחות. מספר MF של 0.91 הוא איזון טוב בין יכולת נשיאת מטען לטווח.

למעבורת החלל מפעל MF של כ- 0.82. ה- MF משתנה בין המסללים השונים בצי מעבורת החלל ועם משקלות המטען השונות של כל משימה.

רקטות גדולות מספיק בכדי להעביר חלליות לחלל סובלות מבעיות משקל קשות. דרוש הרבה מדחף כדי להגיע לחלל ולמצוא מהירויות מסלול טובות. לכן הטנקים, המנועים והחומרה המשויכת אליהם הופכים גדולים יותר. עד לנקודה רקטות גדולות עפות רחוק יותר מרקטות קטנות יותר, אך כאשר הן הופכות לגדולות מדי מבניהן מכבידות אותם יותר מדי. שבריר ההמונים מצטמצם למספר בלתי אפשרי.

ניתן לזקוף פיתרון לבעיה זו ליצרן הזיקוקים מהמאה ה -16 יוהאן שמידלאפ. הוא חיבר רקטות קטנות לראש הגדולות. כשמוצתה הרקטה הגדולה נפל מעטפת הרקטות מאחור והרקטה שנותרה נורתה. הושגו גבהים הרבה יותר גדולים. רקטות אלה בהן השתמש שמידלאפ נקראו רקטות מדרגות.

כיום, טכניקה זו של בניית רקטה נקראת שלב. הודות לבימוי התאפשר לא רק להגיע לחלל החיצון אלא גם לירח ולפלנטות אחרות. מעבורת החלל עוקבת אחר עקרון הטילים במדרגות על ידי השלכת מגברי הטילים המוצקים והטנק החיצוני כשהם מותשים מדחפים.