الصواريخ الاستقرار وأنظمة التحكم في الطيران

الصواريخ الاستقرار وأنظمة التحكم في الطيران

بناء محرك صاروخي فعال ليس سوى جزء من المشكلة. يجب أن يكون الصاروخ مستقراً أثناء الطيران. صاروخ مستقر هو الذي يطير في اتجاه سلس وموحد. يطير صاروخ غير مستقر على طول طريق خاطئ ، في بعض الأحيان يهبط أو يغير الاتجاه. تعتبر الصواريخ غير المستقرة خطرة لأنه لا يمكن التنبؤ بالمكان الذي ستذهب إليه - فقد تنقلب رأسًا على عقب وتتجه فجأة مباشرةً إلى منصة الإطلاق.

ما الذي يجعل الصواريخ مستقرة أو غير مستقرة؟

كل المادة لها نقطة بداخلها تسمى مركز الكتلة أو "CM" ، بغض النظر عن حجمها أو كتلتها أو شكلها. مركز الكتلة هو المكان الدقيق حيث تكون كل كتلة ذلك الجسم متوازنة تمامًا.

يمكنك بسهولة العثور على مركز كتلة كائن - مثل المسطرة - عن طريق موازنة ذلك بإصبعك. إذا كانت المادة المستخدمة في صنع المسطرة ذات سماكة وكثافة موحدة ، فيجب أن يكون مركز الكتلة عند نقطة المنتصف بين طرف العصا والآخر. لن يكون CM في المنتصف إذا تم توجيه مسمار ثقيل إلى أحد نهايته. ستكون نقطة التوازن أقرب إلى النهاية مع الظفر.

CM مهم في رحلة الصواريخ بسبب سقوط صاروخ غير مستقر حول هذه النقطة. في الواقع ، أي كائن في الرحلة يميل إلى السقطة. إذا رميت عصا ، فسوف تتعثر نهاية. رمي الكرة وتدور في الرحلة. عمل الغزل أو الهبوط يستقر في جسم ما في الرحلة. سوف يذهب Frisbee إلى المكان الذي تريده فقط إذا رميته بتدوير متعمد. حاول إلقاء الفريسبي دون تدويره وستجد أنه يطير في طريق خاطئ ويقصر كثيرًا عن العلامة إذا كان بإمكانك إلقاءه على الإطلاق.

لفة ، الملعب ويو

يتم الدوران أو الهبوط حول محور واحد أو أكثر من ثلاثة محاور في الرحلة: لفة ، درجة الصوت و الانحراف. النقطة التي تتقاطع فيها هذه المحاور الثلاثة هي مركز الكتلة.

تعد محاور الانطلاق والانعكاس الأكثر أهمية في رحلة الصواريخ لأن أي حركة في أي من هذين الاتجاهين قد تتسبب في توقف الصاروخ عن مساره. محور اللف هو الأقل أهمية لأن الحركة على طول هذا المحور لن تؤثر على مسار الرحلة.

في الواقع ، فإن حركة الدوران ستساعد على تثبيت الصاروخ بنفس الطريقة التي يتم بها تثبيت كرة القدم التي تم تمريرها بشكل صحيح عن طريق تدويرها أو تصاعدها في الجو. على الرغم من أن كرة القدم التي تم تمريرها بشكل سيئ قد لا تزال تطير إلى ما هو عليه حتى لو سقطت بدلاً من لفائف ، فإن الصاروخ لن يفعل. يتم إنفاق طاقة رد فعل فعلية لتمريرة كرة القدم تمامًا بواسطة المشغل فور مغادرة الكرة يده. باستخدام الصواريخ ، لا يزال الدفع من المحرك ينتج أثناء وجود الصاروخ في الجو. حركات غير مستقرة حول محاور الملعب و yaw سوف تتسبب في مغادرة الصاروخ المسار المخطط له. هناك حاجة إلى نظام تحكم لمنع أو على الأقل تقليل الحركات غير المستقرة.

مركز الضغط

مركز هام آخر يؤثر على رحلة الصاروخ هو مركز الضغط الخاص به أو "CP". مركز الضغط موجود فقط عندما يتدفق الهواء عبر الصاروخ المتحرك. يمكن أن يتسبب هذا الهواء المتدفق ، وفركه ودفعه على السطح الخارجي للصاروخ ، في بدء التحرك حول أحد محاوره الثلاثة.

فكر في ريشة الطقس ، وهي عبارة عن عصا تشبه السهم مثبتة على سطح وتستخدم لتوضيح اتجاه الرياح. السهم متصل بقضيب عمودي يعمل كنقطة محورية. السهم متوازن وبالتالي فإن مركز الكتلة هو الصحيح عند النقطة المحورية. عندما تهب الرياح ، يتحول السهم ويشير رأس السهم إلى الريح القادمة. يشير ذيل السهم في اتجاه الريح.

يشير سهم ريشة الطقس إلى الريح لأن ذيل السهم له مساحة سطح أكبر بكثير من رأس السهم. الهواء المتدفق يضفي قوة أكبر على الذيل من الرأس حتى يتم دفع الذيل بعيدا. هناك نقطة على السهم حيث تكون مساحة السطح هي نفسها على جانب واحد مثل الجانب الآخر. تسمى هذه البقعة مركز الضغط. مركز الضغط ليس في نفس مكان مركز الكتلة. إذا كان الأمر كذلك ، فلن تكون الرياح مفضلة لدى طرفي السهم. السهم لن يشير. يقع مركز الضغط بين مركز الكتلة ونهاية ذيل السهم. هذا يعني أن نهاية الذيل لها مساحة سطح أكبر من نهاية الرأس.

يجب أن يكون مركز الضغط في صاروخ باتجاه الذيل. يجب أن يكون مركز الكتلة في اتجاه الأنف. إذا كانوا في نفس المكان أو بالقرب من بعضهم البعض ، فإن الصاروخ سيكون غير مستقر في الرحلة. سيحاول الدوران حول مركز الكتلة في محاور الملعب واليومية ، مما ينتج عنه موقف خطير.

أنظمة التحكم

صنع مستقرة الصواريخ يتطلب شكلا من أشكال نظام التحكم. تعمل أنظمة التحكم الخاصة بالصواريخ على الحفاظ على استقرار الصاروخ أثناء الطيران وتوجيهه. الصواريخ الصغيرة عادة ما تتطلب فقط نظام التحكم في الاستقرار. الصواريخ الكبيرة ، مثل تلك التي تطلق أقمار صناعية في المدار ، تتطلب نظامًا لا يثبت استقرار الصاروخ فحسب بل يمكّنه أيضًا من تغيير المسار أثناء الطيران.

يمكن أن تكون الضوابط على الصواريخ إما نشطة أو سلبية. الضوابط السلبية هي الأجهزة الثابتة التي تحافظ على استقرار الصواريخ من خلال وجودها بالذات على السطح الخارجي للصاروخ. يمكن تحريك عناصر التحكم النشطة أثناء وجود الصاروخ في حالة طيران لتحقيق الاستقرار وتوجيه المركبة.

الضوابط السلبية

أبسط عناصر التحكم السلبية هي عصا. كانت سهام النار الصينية عبارة عن صواريخ بسيطة مثبتة على أطراف العصي والتي أبقت مركز الضغط وراء مركز الكتلة. كانت سهام النار غير معروفة على الرغم من هذا. كان على الهواء أن يتدفق عبر الصاروخ قبل أن يصبح مركز الضغط ساري المفعول. بينما لا يزال على الأرض ويتحرك ، قد يتدفق السهم ويطلق النار بطريقة خاطئة.

تم تحسين دقة سهام النار بشكل كبير بعد سنوات من خلال تركيبها في حوض صغير يهدف إلى الاتجاه الصحيح. قاد الحوض الصغير السهم حتى يتحرك بسرعة كافية ليصبح مستقراً من تلقاء نفسه.

حدث تحسن مهم آخر في الصواريخ عندما تم استبدال العصي بمجموعات من زعانف خفيفة الوزن مثبتة حول الطرف السفلي بالقرب من الفوهة. يمكن تصنيع الزعانف من مواد خفيفة الوزن وتبسيطها في الشكل. لقد أعطوا الصواريخ مظهرًا يشبه السهام. أبقت مساحة السطح الكبيرة للزعانف مركز الضغط خلف مركز الكتلة. بل إن بعض المجربين قاموا بتصميم النصائح السفلية للزعانف بطريقة الدوارة لتعزيز الغزل السريع أثناء الطيران. مع هذه "الزعانف الدورانية" ، أصبحت الصواريخ أكثر استقرارًا ، لكن هذا التصميم أنتج المزيد من السحب وقيد مدى الصاروخ.

الضوابط النشطة

وزن الصاروخ هو عامل حاسم في الأداء والمدى. أضافت عصا السهم الأصلي للحريق وزنًا كبيرًا إلى الصاروخ وبالتالي قصرت مداها إلى حد كبير. مع بداية الصواريخ الحديثة في القرن العشرين ، تم البحث عن طرق جديدة لتحسين استقرار الصواريخ وفي نفس الوقت تقليل الوزن الإجمالي للصواريخ. كان الجواب تطوير الضوابط النشطة.

تضمنت أنظمة التحكم النشطة دوارات ، وزعانف متحركة ، وكرات ، وفوهات مدمجة ، وصواريخ رنيه ، وحقن الوقود ، وصواريخ التحكم في المواقف.

تتشابه الزعانف والقناديل المائلة تمامًا مع بعضها البعض في المظهر - والفرق الحقيقي الوحيد هو موقعها على الصاروخ. يتم تثبيت البطاقات على الطرف الأمامي بينما تكون الزعانف المائلة في الخلف. أثناء الطيران ، تميل الزعانف والكرات مثل الدفات إلى انحراف تدفق الهواء وتتسبب في تغيير الصاروخ لمساره. تقوم مستشعرات الحركة على الصاروخ باكتشاف التغييرات الاتجاهية غير المخطط لها ، ويمكن إجراء تصحيحات عن طريق إمالة الزعانف والقنابل قليلاً. ميزة هذين الجهازين هي حجمها ووزنها. فهي أصغر حجماً وأخف وزناً وتنتج جرًا أقل من الزعانف الكبيرة.

يمكن لأنظمة التحكم النشطة الأخرى القضاء على الزعانف والكرات تمامًا. يمكن إجراء تغييرات في الرحلة عن طريق إمالة الزاوية التي يترك بها غاز العادم محرك الصاروخ. يمكن استخدام العديد من التقنيات لتغيير اتجاه العادم. دوارات صغيرة مثل أجهزة وضعت داخل عادم محرك الصواريخ. إمالة دوارات ينحرف العادم ، ومن خلال رد فعل فعلي ، يستجيب الصاروخ بالإشارة إلى الاتجاه المعاكس.

هناك طريقة أخرى لتغيير اتجاه العادم وهي انحراف الفوهة. فوهة gimbaled هي واحدة قادرة على التأثير بينما غازات العادم تمر عبرها. عن طريق إمالة فوهة المحرك في الاتجاه الصحيح ، يستجيب الصاروخ عن طريق تغيير المسار.

صواريخ فيرنير يمكن أن تستخدم أيضا لتغيير الاتجاه. هذه صواريخ صغيرة مثبتة على السطح الخارجي للمحرك الكبير. يطلقون النار عند الحاجة ، مما يؤدي إلى تغيير المسار المطلوب.

في الفضاء ، لا يمكن تثبيت الصاروخ أو تغيير اتجاهه إلا في دوران الصاروخ على طول محور لفة أو استخدام عناصر التحكم النشطة التي تنطوي على عادم المحرك. الزعانف والكرات ليس لديها ما تعمل بدون هواء. أفلام الخيال العلمي التي تعرض صواريخ في الفضاء بأجنحة وزعانف طويلة في الخيال وقصيرة في العلم. أكثر أنواع أدوات التحكم النشطة شيوعًا المستخدمة في الفضاء هي صواريخ التحكم في المواقف. يتم تثبيت مجموعات صغيرة من المحركات في جميع أنحاء السيارة. بإطلاق المجموعة الصحيحة من هذه الصواريخ الصغيرة ، يمكن قلب السيارة في أي اتجاه. بمجرد أن يتم توجيهها بشكل صحيح ، تطلق المحركات الرئيسية ، وتطلق الصواريخ في الاتجاه الجديد.

قداس الصواريخ

كتلة الصاروخ هي عامل مهم آخر يؤثر على أدائها. يمكن أن يحدث فرقًا بين رحلة ناجحة والتجويف على منصة الإطلاق. يجب أن ينتج محرك الصاروخ قوة دفع أكبر من الكتلة الكلية للسيارة قبل أن يتمكن الصاروخ من مغادرة الأرض. لن يكون الصاروخ الذي يحتوي على الكثير من الكتلة غير الضرورية بنفس كفاءة الصاروخ الذي تم اقتطاعه من الأساسيات المجردة. يجب توزيع الكتلة الكلية للسيارة بعد هذه الصيغة العامة لصاروخ مثالي:

  • يجب أن يكون واحد وتسعون في المئة من مجموع الكتلة من الوقود.
  • يجب أن يكون ثلاثة في المئة الدبابات والمحركات والزعانف.
  • يمكن أن الحمولة تمثل 6 في المئة. قد تكون الحمولات النافعة عبارة عن أقمار صناعية أو رواد فضاء أو مركبة فضائية تنتقل إلى كواكب أو أقمار أخرى.

عند تحديد فاعلية تصميم الصاروخ ، يتحدث الصارخون من حيث الكسر الشامل أو "MF". كتلة الكتلة الدافعة للصاروخ مقسومة على الكتلة الكلية للصاروخ تعطي الكسر الشامل: MF = (قداس الكتلة الدافعة) / (الكتلة الكلية )

من الناحية المثالية ، الكسر الشامل للصاروخ هو 0.91. قد يظن المرء أن MF من 1.0 مثالي ، ولكن بعد ذلك لن يكون الصاروخ بأكمله أكثر من كتلة من المواد الدافعة التي قد تشتعل في كرة نارية. كلما زاد عدد القوات متعددة الجنسيات ، قل عدد الحمولة التي يمكن أن يحملها الصاروخ. كلما كان رقم MF أصغر ، كلما أصبح نطاقه أقل. رقم MF البالغ 0.91 هو توازن جيد بين القدرة على حمل الحمولة والمدى.

لدى مكوك الفضاء MF يبلغ حوالي 0.82. يختلف MF بين المدارات المختلفة في أسطول المكوك الفضائي وبين أوزان الحمولة الصافية المختلفة لكل مهمة.

الصواريخ التي هي كبيرة بما يكفي لنقل المركبة الفضائية إلى الفضاء لديها مشاكل خطيرة في الوزن. هناك حاجة إلى قدر كبير من الوقود لدفعهم للوصول إلى الفضاء وإيجاد سرعات مدارية مناسبة. لذلك ، الخزانات والمحركات والأجهزة المرتبطة تصبح أكبر. إلى حد ما ، تطير الصواريخ الأكبر إلى أبعد من الصواريخ الأصغر ، لكن عندما تصبح كبيرة جدًا ، تزن هياكلها وزنها أكثر من اللازم. يتم تقليل الكسر الشامل إلى عدد مستحيل.

يمكن إضافة حل لهذه المشكلة إلى صانع الألعاب النارية في القرن السادس عشر يوهان شميدلاب. انه يعلق الصواريخ الصغيرة على الجزء العلوي من الصواريخ الكبيرة. عندما تم استنفاد الصاروخ الكبير ، تم إسقاط غلاف الصاروخ وإطلاق الصاروخ المتبقي. تم تحقيق ارتفاعات أعلى بكثير. هذه الصواريخ التي يستخدمها شميدلاب كانت تسمى صواريخ الخطوة.

اليوم ، هذه التقنية لبناء صاروخ تدعى التدريج. بفضل التدريج ، أصبح من الممكن ليس فقط الوصول إلى الفضاء الخارجي ولكن القمر والكواكب الأخرى أيضًا. يتبع مكوك الفضاء مبدأ الصاروخ التدريجي من خلال إنزال معززاته الصاروخية الصلبة وخزانه الخارجي عندما يكونون مرهقين بالوقود.