Wie Flugsteuerungssysteme Raketen stabilisieren

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Der Bau eines effizienten Raketentriebwerks ist nur ein Teil des Problems. Das Rakete muss auch im Flug stabil sein. Eine stabile Rakete fliegt in einer gleichmäßigen Richtung. Eine instabile Rakete fliegt auf einem unregelmäßigen Weg und stürzt manchmal oder ändert die Richtung. Instabile Raketen sind gefährlich, da nicht vorhergesagt werden kann, wohin sie fliegen werden. Sie können sich sogar auf den Kopf stellen und plötzlich direkt zur Startrampe zurückkehren.

Was macht eine Rakete stabil oder instabil?

Alle Materie hat einen inneren Punkt, der als Massenschwerpunkt oder „CM“ bezeichnet wird, unabhängig von ihrer Größe, Masse oder Form. Der Schwerpunkt ist die genaue Stelle, an der die gesamte Masse dieses Objekts perfekt ausbalanciert ist.

Sie können den Schwerpunkt eines Objekts - z. B. eines Lineals - leicht finden, indem Sie es auf Ihrem Finger balancieren. Wenn das zur Herstellung des Lineals verwendete Material eine gleichmäßige Dicke und Dichte aufweist, sollte sich der Schwerpunkt auf halber Strecke zwischen einem Ende des Stabs und dem anderen befinden. Das CM wäre nicht mehr in der Mitte, wenn ein schwerer Nagel in eines seiner Enden getrieben würde. Der Gleichgewichtspunkt wäre näher am Ende mit dem Nagel.

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CM ist im Raketenflug wichtig, da eine instabile Rakete um diesen Punkt herum stürzt. Tatsächlich neigt jedes Objekt im Flug zum Sturz. Wenn Sie einen Stock werfen, fällt er Ende über Ende. Wirf einen Ball und er dreht sich im Flug. Das Drehen oder Stürzen stabilisiert ein Objekt im Flug. Ein Frisbee wird nur dann dorthin gehen, wo Sie ihn haben möchten, wenn Sie ihn absichtlich drehen. Wenn Sie versuchen, einen Frisbee zu werfen, ohne ihn zu drehen, werden Sie feststellen, dass er auf einem unregelmäßigen Pfad fliegt und weit hinter seiner Marke zurückbleibt, wenn Sie ihn überhaupt werfen können.

Roll, Pitch und Yaw

Das Drehen oder Taumeln erfolgt um eine oder mehrere der drei Achsen im Flug: Rollen, Neigen und Gieren. Der Punkt, an dem sich alle drei Achsen schneiden, ist der Schwerpunkt.

Die Nick- und Gierachse sind im Raketenflug am wichtigsten, da jede Bewegung in eine dieser beiden Richtungen dazu führen kann, dass die Rakete vom Kurs abweicht. Die Rollachse ist am wenigsten wichtig, da die Bewegung entlang dieser Achse die Flugbahn nicht beeinflusst.

Tatsächlich hilft eine Rollbewegung dabei, die Rakete auf die gleiche Weise zu stabilisieren, wie ein ordnungsgemäß überholter Fußball durch Rollen oder Spiralisieren im Flug stabilisiert wird. Obwohl ein schlecht überholter Fußball immer noch zu seinem Ziel fliegen kann, selbst wenn er eher stürzt als rollt, wird eine Rakete dies nicht tun. Die Action-Reaktionsenergie eines Fußballpasses wird vom Werfer vollständig verbraucht, sobald der Ball seine Hand verlässt. Bei Raketen wird der Schub des Triebwerks noch erzeugt, während die Rakete im Flug ist. Instabile Bewegungen um die Nick- und Gierachse führen dazu, dass die Rakete den geplanten Kurs verlässt. Ein Steuerungssystem ist erforderlich, um instabile Bewegungen zu verhindern oder zumindest zu minimieren.

Das Druckzentrum

Ein weiteres wichtiges Zentrum, das den Flug einer Rakete beeinflusst, ist das Druckzentrum oder „CP“. Das Druckzentrum existiert nur, wenn Luft an der sich bewegenden Rakete vorbeiströmt. Diese strömende Luft, die an der Außenfläche der Rakete reibt und gegen diese drückt, kann dazu führen, dass sie sich um eine ihrer drei Achsen bewegt.

Stellen Sie sich eine Wetterfahne vor, einen pfeilartigen Stock, der auf einem Dach montiert ist und zum Ermitteln der Windrichtung verwendet wird. Der Pfeil ist an einer vertikalen Stange befestigt, die als Drehpunkt dient. Der Pfeil ist so ausgeglichen, dass der Schwerpunkt genau am Drehpunkt liegt. Wenn der Wind weht, dreht sich der Pfeil und die Pfeilspitze zeigt in den entgegenkommenden Wind. Das Ende des Pfeils zeigt in Gegenwindrichtung.

EIN Wetterfahne Der Pfeil zeigt in den Wind, da der Pfeilschwanz eine viel größere Oberfläche hat als die Pfeilspitze. Die strömende Luft übt eine größere Kraft auf den Schwanz aus als der Kopf, so dass der Schwanz weggeschoben wird. Auf dem Pfeil befindet sich ein Punkt, an dem die Oberfläche auf der einen Seite dieselbe ist wie auf der anderen. Dieser Punkt wird als Druckzentrum bezeichnet. Der Druckmittelpunkt befindet sich nicht am selben Ort wie der Massenschwerpunkt. Wenn es so wäre, würde kein Ende des Pfeils vom Wind begünstigt werden. Der Pfeil würde nicht zeigen. Der Druckmittelpunkt liegt zwischen dem Schwerpunkt und dem hinteren Ende des Pfeils. Dies bedeutet, dass das hintere Ende mehr Oberfläche als das Kopfende hat.

Das Druckzentrum einer Rakete muss sich zum Heck hin befinden. Der Schwerpunkt muss zur Nase hin liegen. Befinden sie sich am selben Ort oder sehr nahe beieinander, ist die Rakete im Flug instabil. Es wird versucht, sich um den Schwerpunkt in der Nick- und Gierachse zu drehen, was zu einer gefährlichen Situation führt.

Kontroll systeme

Um eine Rakete stabil zu machen, ist eine Art Kontrollsystem erforderlich. Steuerungssysteme für Raketen halten eine Rakete im Flug stabil und steuern sie. Kleine Raketen benötigen normalerweise nur ein stabilisierendes Kontrollsystem. Große Raketen, beispielsweise solche, die Satelliten in die Umlaufbahn bringen, erfordern ein System, das die Rakete nicht nur stabilisiert, sondern auch ermöglicht, ihren Kurs während des Flugs zu ändern.

Die Steuerung von Raketen kann entweder aktiv oder passiv sein. Passive Steuerungen sind feste Geräte, die Raketen durch ihre Anwesenheit an der Außenseite der Rakete stabilisieren. Aktive Bedienelemente können während des Flugs bewegt werden, um das Fahrzeug zu stabilisieren und zu steuern.

Passive Steuerungen

Die einfachste aller passiven Steuerungen ist ein Stick. Chinesisch Feuerpfeile Es handelte sich um einfache Raketen, die an den Enden von Stöcken angebracht waren und den Druckmittelpunkt hinter dem Massenschwerpunkt hielten. Trotzdem waren Feuerpfeile notorisch ungenau. Luft musste an der Rakete vorbeiströmen, bevor das Druckzentrum wirksam werden konnte. Während der Pfeil noch am Boden und unbeweglich ist, kann er in die falsche Richtung taumeln und schießen.

Die Genauigkeit der Feuerpfeile wurde Jahre später erheblich verbessert, indem sie in einem in die richtige Richtung gerichteten Trog montiert wurden. Der Trog führte den Pfeil, bis er sich schnell genug bewegte, um von selbst stabil zu werden.

Eine weitere wichtige Verbesserung der Raketentechnik wurde erzielt, als die Stöcke durch Cluster leichter Flossen ersetzt wurden, die am unteren Ende in der Nähe der Düse angebracht waren. Flossen könnten aus leichten Materialien hergestellt und in ihrer Form stromlinienförmig sein. Sie gaben Raketen ein pfeilartiges Aussehen. Die große Oberfläche der Rippen hielt den Druckmittelpunkt leicht hinter dem Massenschwerpunkt. Einige Experimentatoren bogen sogar die unteren Spitzen der Flossen im Windrad, um ein schnelles Drehen im Flug zu fördern. Mit diesen "Drehflossen" werden Raketen viel stabiler, aber dieses Design erzeugte mehr Luftwiderstand und begrenzte die Reichweite der Rakete.

Aktive Steuerelemente

Das Gewicht der Rakete ist ein kritischer Faktor für Leistung und Reichweite. Der ursprüngliche Feuerpfeilstab fügte der Rakete zu viel Eigengewicht hinzu und begrenzte daher ihre Reichweite erheblich. Mit dem Beginn der modernen Raketentechnik im 20. Jahrhundert wurde nach neuen Wegen gesucht, um die Raketenstabilität zu verbessern und gleichzeitig das Gesamtgewicht der Raketen zu verringern. Die Antwort war die Entwicklung aktiver Kontrollen.

Zu den aktiven Steuerungssystemen gehörten Flügel, bewegliche Lamellen, Canards, kardanische Düsen, Noniusraketen, Kraftstoffeinspritz- und Lagesteuerungsraketen.

Kippflossen und Canards sind sich im Aussehen ziemlich ähnlich - der einzige wirkliche Unterschied ist ihre Position auf der Rakete. Canards sind am vorderen Ende montiert, während sich die Kippflossen am hinteren Ende befinden. Im Flug kippen die Flossen und Canards wie Ruder, um den Luftstrom abzulenken und die Rakete dazu zu bringen, ihren Kurs zu ändern. Bewegungssensoren an der Rakete erkennen ungeplante Richtungsänderungen, und Korrekturen können durch leichtes Kippen der Flossen und Canards vorgenommen werden. Der Vorteil dieser beiden Geräte ist ihre Größe und ihr Gewicht. Sie sind kleiner und leichter und erzeugen weniger Luftwiderstand als große Flossen.

Andere aktive Steuerungssysteme können Flossen und Canards vollständig eliminieren. Kursänderungen können im Flug vorgenommen werden, indem der Winkel gekippt wird, in dem das Abgas den Triebwerk der Rakete verlässt. Zum Ändern der Abgasrichtung können verschiedene Techniken verwendet werden. Flügel sind kleine flossenartige Vorrichtungen, die im Auspuff des Raketentriebwerks angeordnet sind. Durch Kippen der Flügel wird der Auspuff abgelenkt, und durch die Reaktion reagiert die Rakete in die entgegengesetzte Richtung.

Eine andere Methode zum Ändern der Abgasrichtung besteht darin, die Düse kardanisch zu kardieren. Eine kardanische Düse kann schwanken, während Abgase durch sie strömen. Durch Kippen der Motordüse in die richtige Richtung reagiert die Rakete mit einer Kursänderung.

Noniusraketen können auch verwendet werden, um die Richtung zu ändern. Dies sind kleine Raketen, die an der Außenseite des großen Motors angebracht sind. Sie feuern bei Bedarf und bewirken die gewünschte Kursänderung.

Im Weltraum kann nur das Drehen der Rakete entlang der Rollachse oder die Verwendung aktiver Steuerungen, an denen das Motorabgas beteiligt ist, die Rakete stabilisieren oder ihre Richtung ändern. Flossen und Canards haben ohne Luft nichts zu bearbeiten. Science-Fiction-Filme, die Raketen im Weltraum mit Flügeln und Flossen zeigen, sind lang und wenig wissenschaftlich. Die im Weltraum am häufigsten verwendeten Arten aktiver Steuerungen sind Raketen zur Kontrolle der Fluglage. Rund um das Fahrzeug sind kleine Motorgruppen montiert. Durch Abfeuern der richtigen Kombination dieser kleinen Raketen kann das Fahrzeug in jede Richtung gedreht werden. Sobald sie richtig ausgerichtet sind, feuern die Haupttriebwerke und schicken die Rakete in die neue Richtung.

Die Masse der Rakete

Das Masse einer Rakete ist ein weiterer wichtiger Faktor, der ihre Leistung beeinflusst. Es kann den Unterschied zwischen einem erfolgreichen Flug und dem Herumwälzen auf der Startrampe ausmachen. Der Raketentriebwerk muss einen Schub erzeugen, der größer als die Gesamtmasse des Fahrzeugs ist, bevor die Rakete den Boden verlassen kann. Eine Rakete mit viel unnötiger Masse ist nicht so effizient wie eine Rakete, die nur auf das Wesentliche zugeschnitten ist. Die Gesamtmasse des Fahrzeugs sollte nach dieser allgemeinen Formel für eine ideale Rakete verteilt werden:

  • Einundneunzig Prozent der Gesamtmasse sollten Treibmittel sein.
  • Drei Prozent sollten Panzer, Motoren und Flossen sein.
  • Die Nutzlast kann 6 Prozent ausmachen. Nutzlasten können Satelliten, Astronauten oder Raumfahrzeuge sein, die zu anderen Planeten oder Monden reisen.

Bei der Bestimmung der Wirksamkeit eines Raketendesigns sprechen Raketenwerfer als Massenanteil oder „MF“. Die Masse der Die Treibmittel der Rakete geteilt durch die Gesamtmasse der Rakete ergeben einen Massenanteil: MF = (Masse der Treibmittel) / (Gesamtmasse)

Idealerweise beträgt der Massenanteil einer Rakete 0,91. Man könnte denken, dass ein MF von 1,0 perfekt ist, aber dann wäre die gesamte Rakete nichts weiter als ein Klumpen Treibmittel, der sich zu einem Feuerball entzünden würde. Je größer die MF-Nummer, desto weniger Nutzlast kann die Rakete tragen. Je kleiner die MF-Nummer ist, desto geringer wird ihre Reichweite. Eine MF-Zahl von 0,91 ist ein gutes Gleichgewicht zwischen Nutzlastfähigkeit und Reichweite.

Das Space Shuttle hat eine MF von ca. 0,82. Die MF variiert zwischen den verschiedenen Orbitern in der Space-Shuttle-Flotte und mit den unterschiedlichen Nutzlastgewichten jeder Mission.

Raketen, die groß genug sind, um Raumfahrzeuge in den Weltraum zu befördern, haben ernsthafte Gewichtsprobleme. Sie benötigen viel Treibmittel, um in den Weltraum zu gelangen und die richtigen Umlaufgeschwindigkeiten zu finden. Daher werden die Tanks, Motoren und die dazugehörige Hardware größer. Bis zu einem gewissen Punkt fliegen größere Raketen weiter als kleinere Raketen, aber wenn sie zu groß werden, beschweren ihre Strukturen sie zu sehr. Der Massenanteil wird auf eine unmögliche Zahl reduziert.

Eine Lösung für dieses Problem kann dem Feuerwerkshersteller Johann Schmidlap aus dem 16. Jahrhundert zugeschrieben werden. Er befestigte kleine Raketen an der Spitze großer. Als die große Rakete erschöpft war, wurde das Raketengehäuse zurückgeworfen und die verbleibende Rakete abgefeuert. Es wurden viel höhere Höhen erreicht. Diese von Schmidlap verwendeten Raketen wurden Stufenraketen genannt.

Heute wird diese Technik zum Bau einer Rakete als Inszenierung bezeichnet. Dank der Inszenierung ist es möglich geworden, nicht nur den Weltraum, sondern auch den Mond und andere Planeten zu erreichen. Das Space Shuttle folgt dem Step-Rocket-Prinzip, indem es seine Feststoffraketen-Booster und den externen Tank abwirft, wenn sie keine Treibmittel mehr haben.

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