In che modo i sistemi di controllo del volo stabilizzano i razzi

Costruire un efficiente motore a razzo è solo una parte del problema. Il razzo deve anche essere stabile in volo. Un razzo stabile è quello che vola in una direzione regolare e uniforme. Un razzo instabile vola lungo un percorso irregolare, a volte cadendo o cambiando direzione. I razzi instabili sono pericolosi perché non è possibile prevedere dove andranno - potrebbero persino capovolgersi e tornare improvvisamente direttamente alla piattaforma di lancio.

Tutta la materia ha un punto interno chiamato centro di massa o "CM", indipendentemente dalla sua dimensione, massa o forma. Il centro di massa è il punto esatto in cui tutta la massa di quell'oggetto è perfettamente bilanciata.

Puoi facilmente trovare il centro di massa di un oggetto - come un righello - bilanciandolo sul dito. Se il materiale utilizzato per realizzare il righello è di spessore e densità uniformi, il centro di massa dovrebbe trovarsi a metà strada tra un'estremità dell'asta e l'altra. Il CM non sarebbe più nel mezzo se un chiodo pesante fosse spinto in una delle sue estremità. Il punto di equilibrio sarebbe più vicino alla fine con l'unghia.

Il CM è importante nel volo di un razzo perché un razzo instabile cade su questo punto. In effetti, qualsiasi oggetto in volo tende a cadere. Se lanci un bastoncino, cadrà da capo a capo. Lancia una palla e gira in volo. L'atto di girare o ruzzolare stabilizza un oggetto in volo. Un Frisbee andrà dove vuoi che vada solo se lo lanci con una rotazione deliberata. Prova a lanciare un Frisbee senza ruotarlo e scoprirai che vola in un percorso irregolare e non raggiunge il segno se riesci a lanciarlo.

La rotazione o il ribaltamento avviene attorno a uno o più di tre assi in volo: rollio, beccheggio e imbardata. Il punto in cui tutti e tre questi assi si intersecano è il centro di massa.

Gli assi di beccheggio e imbardata sono i più importanti nel volo di un razzo perché qualsiasi movimento in una di queste due direzioni può far decollare il razzo. L'asse di rollio è il meno importante perché il movimento lungo questo asse non influirà sul percorso di volo.

In effetti, un movimento rotatorio aiuterà a stabilizzare il razzo nello stesso modo in cui un pallone correttamente passato viene stabilizzato facendolo rotolare o farlo girare a spirale in volo. Anche se un calcio passato male può ancora volare al suo segno anche se cade e non rotola, un razzo non lo farà. L'energia di reazione all'azione di un passaggio di calcio viene completamente consumata dal lanciatore nel momento in cui la palla lascia la sua mano. Con i razzi, la spinta dal motore viene ancora prodotta mentre il razzo è in volo. Movimenti instabili attorno al beccheggio e agli assi di imbardata faranno sì che il razzo lasci la rotta prevista. È necessario un sistema di controllo per prevenire o almeno minimizzare i movimenti instabili.

Un altro centro importante che influenza il volo di un razzo è il suo centro di pressione o "CP". Il centro di pressione esiste solo quando l'aria fluisce oltre il razzo in movimento. Questa aria che scorre, sfregando e spingendo contro la superficie esterna del razzo, può far sì che inizi a muoversi attorno a uno dei suoi tre assi.

Pensa a una banderuola, un bastone simile a una freccia montato su un tetto e usato per dire la direzione del vento. La freccia è attaccata a un'asta verticale che funge da perno. La freccia è bilanciata, quindi il centro di massa si trova proprio nel punto di articolazione. Quando il vento soffia, la freccia gira e la testa della freccia punta verso il vento che viene. La coda della freccia punta nella direzione sottovento.

UN banderuola la freccia punta verso il vento perché la coda della freccia ha una superficie molto più ampia della punta della freccia. L'aria che fluisce impartisce una forza maggiore alla coda rispetto alla testa, quindi la coda viene allontanata. C'è un punto sulla freccia in cui la superficie è la stessa su un lato dell'altro. Questo punto è chiamato il centro di pressione. Il centro di pressione non si trova nello stesso posto del centro di massa. Se lo fosse, allora nessuna delle due estremità della freccia sarebbe favorita dal vento. La freccia non puntava. Il centro di pressione si trova tra il centro di massa e l'estremità della coda della freccia. Ciò significa che l'estremità della coda ha una superficie maggiore dell'estremità della testa.

Il centro di pressione in un razzo deve essere posizionato verso la coda. Il centro di massa deve essere posizionato verso il naso. Se si trovano nello stesso posto o molto vicini l'uno all'altro, il razzo sarà instabile in volo. Tenterà di ruotare attorno al centro di massa nell'asse di beccheggio e imbardata, producendo una situazione pericolosa.

Rendere stabile un razzo richiede una qualche forma di sistema di controllo. I sistemi di controllo dei razzi mantengono stabile un razzo in volo e lo guidano. I piccoli razzi di solito richiedono solo un sistema di controllo stabilizzante. I razzi di grandi dimensioni, come quelli che lanciano in orbita i satelliti, richiedono un sistema che non solo stabilizza il razzo ma gli permetta anche di cambiare rotta durante il volo.

I controlli sui razzi possono essere attivi o passivi. I controlli passivi sono dispositivi fissi che mantengono i razzi stabilizzati dalla loro stessa presenza all'esterno del razzo. I controlli attivi possono essere spostati mentre il razzo è in volo per stabilizzare e guidare l'imbarcazione.

Il più semplice di tutti i controlli passivi è un bastone. Cinese frecce di fuoco erano semplici razzi montati alle estremità di bastoncini che mantenevano il centro di pressione dietro il centro di massa. Nonostante ciò, le frecce di fuoco erano notoriamente inaccurate. L'aria doveva fluire oltre il razzo prima che il centro di pressione potesse entrare in vigore. Mentre è ancora a terra e immobile, la freccia potrebbe oscillare e sparare nel modo sbagliato.

L'accuratezza delle frecce di fuoco fu migliorata considerevolmente anni dopo montandole in una depressione orientata nella direzione corretta. Il trogolo guidava la freccia finché non si muoveva abbastanza velocemente da diventare stabile da solo.

Un altro importante miglioramento della rocketry è arrivato quando i bastoncini sono stati sostituiti da gruppi di pinne leggere montate intorno all'estremità inferiore vicino all'ugello. Le alette potrebbero essere realizzate con materiali leggeri e avere una forma aerodinamica. Hanno dato ai razzi un aspetto simile a un dardo. L'ampia superficie delle alette mantiene facilmente il centro di pressione dietro il centro di massa. Alcuni sperimentatori hanno persino piegato le punte inferiori delle pinne in modo girandola per favorire una rapida rotazione in volo. Con queste "spin pinne", i razzi diventano molto più stabili, ma questo design ha prodotto più resistenza e limitato la gamma del razzo.

Il peso del razzo è un fattore critico in termini di prestazioni e portata. La freccia di fuoco originale aggiungeva troppo peso morto al razzo e quindi limitava notevolmente la sua portata. Con l'inizio della moderna rocketry nel 20 ° secolo, sono stati cercati nuovi modi per migliorare la stabilità del razzo e allo stesso tempo ridurre il peso complessivo del razzo. La risposta è stata lo sviluppo di controlli attivi.

I sistemi di controllo attivo includevano palette, pinne mobili, canard, ugelli a gimbal, razzi vernier, iniezione di carburante e missili di controllo dell'assetto.

Pinne e canard inclinabili sono abbastanza simili tra loro in apparenza - l'unica vera differenza è la loro posizione sul razzo. Le canard sono montate sull'estremità anteriore mentre le alette inclinabili sono sul retro. In volo, le pinne e le canard si inclinano come timoni per deviare il flusso d'aria e far cambiare rotta al razzo. I sensori di movimento sul razzo rilevano cambiamenti direzionali non pianificati e le correzioni possono essere apportate inclinando leggermente le pinne e le canard. Il vantaggio di questi due dispositivi è la loro dimensione e peso. Sono più piccoli e leggeri e producono meno resistenza rispetto alle grandi pinne.

Altri sistemi di controllo attivo possono eliminare del tutto pinne e canard. I cambiamenti di rotta possono essere fatti in volo inclinando l'angolo in cui il gas di scarico lascia il motore del razzo. Diverse tecniche possono essere utilizzate per cambiare la direzione di scarico. Le palette sono piccoli dispositivi a pinna posti all'interno dello scarico del motore a razzo. Inclinare le palette devia lo scarico e, per reazione all'azione, il razzo risponde indicando la direzione opposta.

Un altro metodo per cambiare la direzione di scarico è gimbal l'ugello. Un ugello gimbaled è in grado di oscillare mentre i gas di scarico lo attraversano. Inclinando l'ugello del motore nella direzione corretta, il razzo risponde cambiando rotta.

I razzi Vernier possono anche essere usati per cambiare direzione. Questi sono piccoli razzi montati all'esterno del grande motore. Sparano quando necessario, producendo il cambio di rotta desiderato.

Nello spazio, solo ruotando il razzo lungo l'asse del rollio o usando i controlli attivi che coinvolgono lo scarico del motore può stabilizzare il razzo o cambiarne la direzione. Le alette e le canard non hanno nulla su cui lavorare senza aria. I film di fantascienza che mostrano razzi nello spazio con ali e pinne sono lunghi sulla finzione e corti sulla scienza. I tipi più comuni di controlli attivi utilizzati nello spazio sono i missili di controllo dell'assetto. Piccoli gruppi di motori sono montati intorno al veicolo. Sparando la giusta combinazione di questi piccoli razzi, il veicolo può essere ruotato in qualsiasi direzione. Non appena vengono puntati correttamente, i motori principali si accendono, mandando il razzo nella nuova direzione.

Il massa di un razzo è un altro fattore importante che influenza le sue prestazioni. Può fare la differenza tra un volo riuscito e sguazzare sul trampolino di lancio. Il motore a razzo deve produrre una spinta maggiore della massa totale del veicolo prima che il razzo possa lasciare il terreno. Un razzo con un sacco di massa non necessaria non sarà efficiente come quello che viene ridotto ai soli elementi essenziali. La massa totale del veicolo dovrebbe essere distribuita seguendo questa formula generale per un razzo ideale:

• Il novantuno percento della massa totale dovrebbe essere propellente.
• Il tre percento dovrebbe essere costituito da carri armati, motori e pinne.
• Il payload può rappresentare il 6 percento. I payload possono essere satelliti, astronauti o veicoli spaziali che viaggeranno verso altri pianeti o lune.

Nel determinare l'efficacia di un progetto di razzi, i razzieri parlano in termini di frazione di massa o "MF". La massa del i propellenti del razzo divisi per la massa totale del razzo forniscono la frazione di massa: MF = (massa dei propellenti) / (massa totale)

Idealmente, la frazione di massa di un razzo è 0,91. Si potrebbe pensare che un MF di 1.0 sia perfetto, ma poi l'intero razzo non sarebbe altro che un grumo di propellenti che si accenderebbero in una palla di fuoco. Maggiore è il numero MF, minore è il carico utile che il razzo può trasportare. Più piccolo è il numero MF, meno diventa il suo intervallo. Un numero MF di 0,91 è un buon equilibrio tra capacità di carico utile e portata.

Lo Space Shuttle ha un MF di circa 0,82. L'MF varia tra i diversi orbiter della flotta dello Space Shuttle e con i diversi pesi del carico utile di ciascuna missione.

I razzi abbastanza grandi da trasportare veicoli spaziali nello spazio hanno gravi problemi di peso. È necessaria una grande quantità di propellente per raggiungere lo spazio e trovare velocità orbitali adeguate. Pertanto, i serbatoi, i motori e l'hardware associato diventano più grandi. Fino a un certo punto, i razzi più grandi volano più lontano dei razzi più piccoli, ma quando diventano troppo grandi le loro strutture li appesantiscono troppo. La frazione di massa è ridotta a un numero impossibile.

Una soluzione a questo problema può essere attribuita al produttore di fuochi d'artificio del XVI secolo Johann Schmidlap. Ha attaccato piccoli razzi in cima a quelli grandi. Quando il grande razzo fu esaurito, il bossolo fu lasciato cadere e il razzo rimanente sparò. Sono state raggiunte quote molto più elevate. Questi razzi usati da Schmidlap erano chiamati razzi passo-passo.

Oggi, questa tecnica di costruzione di un razzo si chiama messa in scena. Grazie alla messa in scena, è diventato possibile non solo raggiungere lo spazio esterno, ma anche la luna e altri pianeti. Lo Space Shuttle segue il principio del razzo a gradini facendo cadere i suoi potenti razzi e il serbatoio esterno quando sono esausti di propellenti.