Raketstabilitet och flygkontrollsystem

Att bygga en effektiv raketmotor är bara en del av problemet. Raketen måste också vara stabil under flygning. En stabil raket är en som flyger i en jämn, enhetlig riktning. En instabil raket flyger längs en oberäknelig väg, ibland tumlande eller ändrar riktning. Instabila raketer är farliga eftersom det inte är möjligt att förutsäga vart de ska åka - de kan till och med vända upp och ner och plötsligt gå direkt tillbaka till startplattan.

Vad gör en raketstabil eller instabil?

All materia har en punkt inuti som kallas masscentret eller "CM", oavsett storlek, massa eller form. Massmitten är den exakta platsen där hela objektets massa är perfekt balanserad.

Du kan enkelt hitta massans centrum för ett objekt - till exempel en linjal - genom att balansera det på fingret. Om materialet som används för att tillverka linjalen har en enhetlig tjocklek och densitet, bör masscentrumet vara halvvägs mellan den ena änden av pinnen och den andra. CM skulle inte längre vara i mitten om en tung spik drevs in i en av dess ändar. Balanspunkten skulle vara närmare slutet med spiken.

CM är viktigt vid raketflygning eftersom en instabil raket tumlar runt denna punkt. I själva verket tenderar alla objekt i flykt att tumla. Om du kastar en pinne kommer den att trumla ände över slutet. Kasta en boll och den snurrar i flykten. Handlingen att snurra eller tumla stabiliserar ett objekt under flykt. En frisbee går dit du vill ha den bara om du kastar den med ett avsiktligt snurr. Försök att kasta en frisbee utan att snurra den och du kommer att upptäcka att den flyger på en oberäknelig väg och faller långt under sitt märke om du ens kan kasta den alls. 

Roll, Pitch and Yaw

Spinning eller tumling sker runt en eller flera av tre axlar under flygning: rullning, stigning och gäspning. Punkten där alla dessa tre axlar korsar var massans centrum.

Tonhöjnings- och gäxaxlarna är de viktigaste i raketflygningen eftersom varje rörelse i någon av dessa två riktningar kan få raketen att gå av kurs. Rullaxeln är minst viktigt eftersom rörelse längs denna axel inte kommer att påverka flygbanan.

I själva verket kommer en rullande rörelse att hjälpa till att stabilisera raketen på samma sätt som en korrekt passerad fotboll stabiliseras genom att rulla eller spiralera den under flygning. Även om en dåligt passerad fotboll fortfarande kan flyga till sitt märke även om den tumlar snarare än rullar, kommer en raket inte att göra det. Handlingen-reaktionsenergin i ett fotbollspass förbrukas helt av kastaren i det ögonblick som bollen lämnar handen. Med raketer produceras drivkraften från motorn fortfarande medan raketen är i flykt. Instabila rörelser kring tonhöjden och gäxaxlarna kommer att göra att raketen lämnar den planerade banan. Ett kontrollsystem behövs för att förhindra eller åtminstone minimera instabila rörelser.

Center of Pressure

Ett annat viktigt centrum som påverkar en rakets flygning är dess tryckcentrum eller ”CP.” Tryckcentret finns endast när luft flyter förbi den rörliga raketen. Denna strömmande luft, gnugga och skjuta mot raketens yttre yta, kan få den att börja röra sig runt en av dess tre axlar.

Tänk på en vädersving, en pilliknande pinne monterad på taket och används för att berätta vindriktningen. Pilen är fäst vid en vertikal stång som fungerar som en svängpunkt. Pilen är balanserad så att masscentrumet är rätt vid svängpunkten. När vinden blåser vänder pilen och pilens huvud pekar på den kommande vinden. Pilens svans pekar i vindriktningen.

En vädervingpil pekar i vinden eftersom pilens svans har en mycket större ytarea än pilspetsen. Den strömmande luften ger en större kraft till svansen än huvudet så att svansen skjuts bort. Det finns en punkt på pilen där ytan är densamma på ena sidan som den andra. Denna plats kallas pressens centrum. Tryckcentret är inte på samma plats som masscentrumet. Om det var, skulle ingen av pilens ändar gynnas av vinden. Pilen skulle inte peka. Tryckcentret är mellan massans centrum och pilens svansände. Detta innebär att svansänden har mer ytarea än huvudänden.

Tryckcentret i en raket måste vara beläget mot svansen. Massans centrum måste vara belägen mot näsan. Om de är på samma plats eller mycket nära varandra, kommer raketen att vara instabil under flygning. Den kommer att försöka rotera runt massmitten i tonhöjden och gäxaxlarna, vilket ger en farlig situation.

Kontrollsystem

Att göra en raket stabil är kräver någon form av kontrollsystem. Styrsystem för raketer håller en raket stabil under flygning och styr den. Små raketer kräver vanligtvis bara ett stabiliserande styrsystem. Stora raketer, som de som sänder ut satelliter i omloppsbana, kräver ett system som inte bara stabiliserar raketen utan också gör det möjligt att ändra kurs under flykt.

Kontroller på raketer kan vara antingen aktiva eller passiva. Passiva kontroller är fasta enheter som håller raketer stabiliserade av deras närvaro på raketens utsida. Aktiva kontroller kan flyttas medan raket är på flykt för att stabilisera och styra farkosten.

Passiva kontroller

Den enklaste av alla passiva kontroller är en pinne. Kinesiska eldpilar var enkla raketer monterade på pinnarnas ändar som höll pressens centrum bakom masscentrumet. Trots detta var eldpilarna notoriskt felaktiga. Luft måste flyta förbi raketten innan tryckcentrumet kunde träda i kraft. Medan den fortfarande är på marken och rörlig, kan pilen lura och skjuta på fel sätt.