كيف تستقر أنظمة التحكم في الطيران الصواريخ

إن بناء محرك صاروخ فعال هو جزء فقط من المشكلة. ال صاروخ يجب أن يكون مستقرًا أيضًا أثناء الطيران. الصاروخ المستقر هو الذي يطير في اتجاه سلس وموحد. يطير صاروخ غير مستقر على طول مسار غير منتظم ، وأحيانًا ينهار أو يغير الاتجاه. تعتبر الصواريخ غير المستقرة خطرة لأنه من غير الممكن التنبؤ بالمكان الذي ستذهب إليه - فقد تنقلب رأسًا على عقب ثم تعود فجأة إلى منصة الإطلاق مباشرة.

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

يمكنك بسهولة العثور على مركز كتلة جسم ما - مثل المسطرة - عن طريق موازنته على إصبعك. إذا كانت المادة المستخدمة في صنع المسطرة بسماكة وكثافة موحدة ، فيجب أن يكون مركز الكتلة عند نقطة المنتصف بين طرف العصا والطرف الآخر. لن يكون CM في المنتصف إذا تم دفع مسمار ثقيل إلى أحد نهاياته. ستكون نقطة التوازن أقرب إلى النهاية مع الظفر.

CM مهم في رحلة الصواريخ لأن صاروخ غير مستقر يتعثر حول هذه النقطة. في الواقع ، أي جسم أثناء الطيران يميل إلى الانهيار. إذا رميت عصا ، فسوف تتداعى على النهاية. رمي الكرة وتدور في الطيران. فعل الغزل أو الهبوط يعمل على استقرار الجسم أثناء الطيران. ستذهب الفريسبي إلى حيث تريد الذهاب إليه فقط إذا قمت برميها مع دوران متعمد. جرب رمي الفريسبي بدون لفها وستجد أنها تطير في مسار غير منتظم وتقل كثيرًا عن بصمتها إذا كان بإمكانك رميها على الإطلاق.

يحدث الدوران أو التدحرج حول واحد أو أكثر من ثلاثة محاور أثناء الرحلة: لفة ، ودرج ، وانحراف. النقطة التي تتقاطع فيها هذه المحاور الثلاثة هي مركز الكتلة.

تعد محاور الانحراف والانعراج الأكثر أهمية في طيران الصاروخ لأن أي حركة في أي من هذين الاتجاهين يمكن أن تتسبب في انحراف الصاروخ عن المسار. محور الدوران هو الأقل أهمية لأن الحركة على هذا المحور لن تؤثر على مسار الرحلة.

في الواقع ، ستساعد الحركة المتدحرجة في استقرار الصاروخ بنفس الطريقة التي يتم بها تثبيت كرة القدم التي تم تمريرها بشكل صحيح عن طريق لفها أو تحريكها أثناء الطيران. على الرغم من أن كرة القدم التي تم تمريرها بشكل سيئ قد لا تزال تطير إلى علامتها حتى لو تعثرت بدلاً من أن تتدحرج ، فلن ينطلق الصاروخ. طاقة رد فعل الحركة لتمريرة كرة القدم تنفق بالكامل من قبل القاذف في اللحظة التي تغادر فيها الكرة يده. باستخدام الصواريخ ، لا يزال يتم إنتاج الدفع من المحرك أثناء تحرك الصاروخ. الحركات غير المستقرة حول الملعب ومحاور الانحراف ستتسبب في خروج الصاروخ من المسار المخطط له. هناك حاجة إلى نظام تحكم لمنع أو على الأقل تقليل الحركات غير المستقرة.

مركز مهم آخر يؤثر على طيران الصاروخ هو مركز الضغط أو "CP". يوجد مركز الضغط فقط عندما يتدفق الهواء عبر الصاروخ المتحرك. هذا الهواء المتدفق ، يفرك ويدفع ضد السطح الخارجي للصاروخ ، يمكن أن يجعله يبدأ في التحرك حول أحد محاوره الثلاثة.

فكر في ريشة الطقس ، وهي عصا تشبه السهم مثبتة على السطح وتستخدم لإخبار اتجاه الرياح. يتم إرفاق السهم بقضيب رأسي يعمل كنقطة محورية. السهم متوازن بحيث يكون مركز الكتلة عند النقطة المحورية. عندما تهب الرياح ، يتحول السهم ويشير رأس السهم إلى الريح القادمة. يشير ذيل السهم في اتجاه الريح.

أ ريشة الطقس يشير السهم إلى الريح لأن ذيل السهم لديه مساحة سطح أكبر بكثير من رأس السهم. يضفي الهواء المتدفق قوة أكبر على الذيل من الرأس حتى يتم دفع الذيل بعيدًا. هناك نقطة على السهم حيث تكون مساحة السطح هي نفسها على جانب آخر. تسمى هذه البقعة مركز الضغط. مركز الضغط ليس في نفس مكان مركز الكتلة. إذا كان الأمر كذلك ، فلن تفضل الريح نهاية السهم. لن يشير السهم. يقع مركز الضغط بين مركز الكتلة ونهاية ذيل السهم. هذا يعني أن نهاية الذيل لديها مساحة سطح أكبر من نهاية الرأس.

يجب أن يقع مركز الضغط في الصاروخ باتجاه الذيل. يجب أن يكون مركز الكتلة باتجاه الأنف. إذا كانوا في نفس المكان أو بالقرب من بعضهم البعض ، فإن الصاروخ سيكون غير مستقر أثناء الطيران. سيحاول الدوران حول مركز الكتلة في فأس الملعب والانحراف ، مما ينتج عنه وضع خطير.

يتطلب صنع صاروخ مستقر شكلاً من أشكال نظام التحكم. إن أنظمة التحكم في الصواريخ تحافظ على استقرار الصاروخ أثناء الطيران وتوجيهه. تتطلب الصواريخ الصغيرة عادة نظام تحكم استقرار فقط. تتطلب الصواريخ الكبيرة ، مثل تلك التي تطلق الأقمار الصناعية في المدار ، نظامًا لا يعمل على استقرار الصاروخ فحسب ، بل يمكّنه أيضًا من تغيير المسار أثناء الطيران.

يمكن أن تكون الضوابط على الصواريخ نشطة أو سلبية. الضوابط السلبية هي أجهزة ثابتة تحافظ على استقرار الصواريخ من خلال وجودها على السطح الخارجي للصاروخ. يمكن تحريك الضوابط النشطة أثناء تحرك الصاروخ لتحقيق الاستقرار وتوجيه الطائرة.

أبسط جميع الضوابط السلبية هي العصا. صينى سهام النار كانت صواريخ بسيطة مثبتة على نهايات العصي التي أبقت مركز الضغط خلف مركز الكتلة. كانت سهام النار غير دقيقة على الرغم من ذلك. كان يجب أن يتدفق الهواء عبر الصاروخ قبل أن يصبح مركز الضغط ساري المفعول. بينما لا يزال على الأرض وغير متحرك ، قد ينحني السهم ويطلق النار بطريقة خاطئة.

تم تحسين دقة سهام الحريق بعد ذلك بسنوات عن طريق تركيبها في حوض يهدف في الاتجاه الصحيح. وجه الحوض السهم حتى يتحرك بسرعة كافية ليصبح مستقرا من تلقاء نفسه.

جاء تحسن مهم آخر في الصواريخ عندما تم استبدال العصي بمجموعات من الزعانف خفيفة الوزن مثبتة حول الطرف السفلي بالقرب من الفوهة. يمكن تصنيع الزعانف من مواد خفيفة الوزن وتبسيطها في الشكل. أعطوا الصواريخ مظهرًا يشبه السهام. احتفظت مساحة السطح الكبيرة للزعانف بسهولة بمركز الضغط خلف مركز الكتلة. حتى أن بعض المجربين عازموا الأطراف السفلية للزعانف بطريقة دولاب المروحة لتعزيز الدوران السريع أثناء الطيران. مع هذه "الزعانف الدورانية" ، تصبح الصواريخ أكثر استقرارًا بكثير ، لكن هذا التصميم أنتج المزيد من السحب وحد من مدى الصاروخ.

وزن الصاروخ عامل حاسم في الأداء والمدى. أضافت عصا السهم الناري الأصلية الكثير من الوزن الميت إلى الصاروخ وبالتالي حددت نطاقه بشكل 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 ، وخراطيم ، وفوهات مسننة ، وصواريخ رنيه ، وحقن الوقود ، وصواريخ للتحكم في الموقف.

الزعانف المائلة والكنارد متشابهة تمامًا مع بعضها البعض في المظهر - الفرق الحقيقي الوحيد هو موقعها على الصاروخ. يتم تثبيت Canards على الواجهة الأمامية بينما توجد زعانف إمالة في الخلف. أثناء الطيران ، تميل الزعانف والكنارد مثل الدفة لتحريف تدفق الهواء وتسبب تغيير الصاروخ للمسار. تكتشف مستشعرات الحركة على الصاروخ التغييرات الاتجاهية غير المخطط لها ، ويمكن إجراء التصحيحات عن طريق إمالة الزعانف والكنارد قليلاً. ميزة هذين الجهازين هي حجمها ووزنها. هم أصغر وأخف وزنا وتنتج سحب أقل من الزعانف الكبيرة.

يمكن لأنظمة التحكم النشطة الأخرى القضاء على الزعانف والكنارد تمامًا. يمكن إجراء تغييرات في المسار أثناء الطيران من خلال إمالة الزاوية التي يغادر فيها غاز العادم محرك الصاروخ. يمكن استخدام العديد من التقنيات لتغيير اتجاه العادم. الريش هي أجهزة صغيرة تشبه الزعانف توضع داخل عادم محرك الصاروخ. إن إمالة دوارات الريش يحرف العادم ، ويستجيب الصاروخ من خلال رد الفعل الفعل بالإشارة إلى الاتجاه المعاكس.

طريقة أخرى لتغيير اتجاه العادم هي انحراف الفوهة. الفوهة المنحنية هي قادرة على التأرجح أثناء مرور غازات العادم من خلالها. من خلال إمالة فوهة المحرك في الاتجاه الصحيح ، يستجيب الصاروخ بتغيير المسار.

يمكن أيضًا استخدام صواريخ Vernier لتغيير الاتجاه. هذه صواريخ صغيرة مثبتة على السطح الخارجي للمحرك الكبير. يطلقون النار عند الحاجة ، مما يؤدي إلى تغيير المسار المطلوب.

في الفضاء ، يمكن أن يؤدي دوران الصاروخ على طول محور التدوير أو باستخدام عناصر التحكم النشطة التي تتضمن عادم المحرك إلى تثبيت الصاروخ أو تغيير اتجاهه. الزعانف والكنارد ليس لديها ما تعمل عليه بدون هواء. أفلام الخيال العلمي التي تظهر صواريخ في الفضاء بأجنحة وزعانف طويلة على الخيال وقصيرة على العلم. أكثر أنواع الضوابط النشطة المستخدمة في الفضاء شيوعًا هي صواريخ التحكم في الموقف. يتم تركيب مجموعات صغيرة من المحركات في جميع أنحاء السيارة. بإطلاق المجموعة الصحيحة من هذه الصواريخ الصغيرة ، يمكن تدوير السيارة في أي اتجاه. بمجرد أن يتم توجيهها بشكل صحيح ، تطلق المحركات الرئيسية ، مما يؤدي إلى إطلاق الصاروخ في الاتجاه الجديد.

ال كتلة الصاروخ هو عامل مهم آخر يؤثر على أدائه. يمكن أن يحدث فرقًا بين رحلة طيران ناجحة والتمشية على منصة الإطلاق. يجب أن ينتج محرك الصاروخ دفعًا 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 تقليمه إلى الأساسيات العارية فقط. يجب توزيع الكتلة الإجمالية للسيارة باتباع هذه الصيغة العامة لصاروخ مثالي:

• واحد وتسعون في المئة من الكتلة الإجمالية يجب أن تكون دافعات.
• ثلاثة في المئة يجب أن تكون الدبابات والمحركات والزعانف.
• يمكن أن تمثل الحمولة 6 في المائة. قد تكون حمولات السواتل أو رواد الفضاء أو المركبات الفضائية التي ستنتقل إلى الكواكب أو الأقمار الأخرى.

في تحديد فعالية تصميم الصاروخ ، يتحدث الصخور من حيث الكسر الجماعي أو "MF". كتلة دافعات الصاروخ مقسومة على الكتلة الإجمالية للصاروخ تعطي جزءًا كميًا: MF = (كتلة من الدواسر) / (الكتلة الكلية)

من الناحية المثالية ، يكون الجزء الضخم من الصاروخ 0.91. قد يعتقد المرء أن MF من 1.0 مثالي ، ولكن بعد ذلك لن يكون الصاروخ بأكمله أكثر من كتلة من الدوافع التي يمكن أن تشتعل في كرة نارية. كلما كان رقم MF أكبر ، كلما قل الحمل الذي يمكن للصاروخ حمله. كلما كان رقم MF أصغر ، قل نطاقه. رقم MF 0.91 هو توازن جيد بين القدرة على حمل الحمولة والمدى.

مكوك الفضاء لديه MF حوالي 0.82. يختلف MF بين المدارات المختلفة في أسطول مكوك الفضاء ومع أوزان الحمولة المختلفة لكل مهمة.

تعاني الصواريخ التي تكون كبيرة بما يكفي لنقل المركبات الفضائية إلى الفضاء من مشكلات خطيرة في الوزن. هناك حاجة إلى قدر كبير من الوقود لدفعهم للوصول إلى الفضاء وإيجاد السرعات المدارية المناسبة. لذلك ، تصبح الدبابات والمحركات والأجهزة المرتبطة أكبر. إلى حد ما ، تطير الصواريخ الأكبر حجمًا أبعد من الصواريخ الصغيرة ، ولكن عندما تصبح كبيرة جدًا ، فإن هياكلها تثقلها كثيرًا. يتم تقليل جزء الكتلة إلى عدد مستحيل.

يمكن أن يُنسب الحل لهذه المشكلة إلى صانع الألعاب النارية في القرن السادس عشر يوهان شميدلاب. وعلق صواريخ صغيرة على رأس الصواريخ الكبيرة. عندما تم استنفاد الصاروخ الكبير ، تم إسقاط غلاف الصاروخ وراءه وإطلاق الصاروخ المتبقي. تم تحقيق ارتفاعات أعلى بكثير. هذه الصواريخ التي استخدمها شميدلاب كانت تسمى صواريخ متدرجة.

اليوم ، هذه التقنية لبناء صاروخ تسمى التدريج. بفضل الانطلاق ، أصبح من الممكن ليس فقط الوصول إلى الفضاء الخارجي ولكن أيضًا القمر والكواكب الأخرى. يتبع مكوك الفضاء مبدأ الصاروخ التدريجي بإسقاط معززاته الصاروخية الصلبة وخزانه الخارجي عندما يكون مرهقًا من الوقود.