Uçuş Kontrol Sistemleri Roketleri Nasıl Stabilize Ediyor?

Verimli bir roket motoru oluşturmak sorunun sadece bir parçasıdır. roket uçuşta da kararlı olmalıdır. Kararlı bir roket, düzgün, düzgün bir yönde uçan bir rokettir. Kararsız bir roket bazen yuvarlanan veya yön değiştiren düzensiz bir yol boyunca uçar. Kararsız roketler tehlikelidir, çünkü nereye gideceklerini tahmin etmek mümkün değildir; baş aşağı dönebilir ve aniden fırlatma rampasına geri dönebilirler.

Her maddenin içinde boyutu, kütlesi veya şekli ne olursa olsun, kütle merkezi veya “CM” adı verilen bir nokta vardır. Kütle merkezi, o nesnenin tüm kütlesinin mükemmel şekilde dengelendiği tam noktadır.

Cetvel gibi bir nesnenin kütle merkezini parmağınızla dengeleyerek kolayca bulabilirsiniz. Cetveli yapmak için kullanılan malzeme muntazam kalınlık ve yoğunlukta ise, kütle merkezi çubuğun bir ucu ile diğer ucu arasındaki yarı noktada olmalıdır. Eğer uçlarından birine ağır bir çivi sürülürse CM artık ortada olmazdı. Denge noktası çiviyle sona daha yakın olacaktır.

CM roket uçuşunda önemlidir, çünkü dengesiz bir roket bu nokta etrafında döner. Aslında, uçuştaki herhangi bir nesne düşme eğilimindedir. Bir sopa atarsanız, uç uca yuvarlanır. Bir top atın ve uçuşta döner. Dönme veya yuvarlanma hareketi uçuştaki bir nesneyi dengeler. Bir Frizbi, sadece kasıtlı bir dönüşle atarsanız gitmesini istediğiniz yere gidecektir. Dönmeden bir Frizbi atmayı deneyin ve düzensiz bir yolda uçtuğunu ve hatta atabiliyorsanız işaretinin çok altına düştüğünü göreceksiniz.

Eğirme veya yuvarlanma, uçuş sırasında üç eksenden biri veya daha fazlası etrafında gerçekleşir: yuvarlanma, eğim ve sapma. Bu eksenlerin üçünün de kesiştiği nokta kütle merkezidir.

Zift ve sapma eksenleri roket uçuşunda en önemlisidir, çünkü bu iki yönden herhangi birindeki hareket roketin rotasından çıkmasına neden olabilir. Rulo ekseni en az önemlidir, çünkü bu eksen boyunca hareket uçuş yolunu etkilemez.

Aslında, bir yuvarlanma hareketi, roketin düzgün bir şekilde geçirilen bir futbolun uçuş sırasında yuvarlanması veya sarılmasıyla dengelenmesi gibi stabilize edilmesine yardımcı olacaktır. Zayıf bir futbol hala yuvarlanmak yerine yuvarlansa bile işaretine uçabilse de bir roket atmayacak. Bir futbol pasosunun aksiyon-tepki enerjisi, topun elini terk ettiği anda atıcı tarafından tamamen harcanır. Roketlerde, roket uçuştayken motordan itme hala üretilir. Saha ve sapma eksenleri hakkında dengesiz hareketler roketin planlanan rotayı terk etmesine neden olacaktır. Kararsız hareketleri önlemek veya en azından en aza indirmek için bir kontrol sistemi gereklidir.

Bir roketin uçuşunu etkileyen bir diğer önemli merkez basınç merkezi veya “CP” dir. Basınç merkezi sadece hareketli roketin üzerinden hava aktığında mevcuttur. Roketin dış yüzeyine sürtünen ve iten bu akan hava, üç ekseninden birinin etrafında hareket etmeye başlamasına neden olabilir.

Bir rüzgar gülü, bir çatı üstüne monte edilmiş ve rüzgar yönünü söylemek için kullanılan ok benzeri bir çubuk düşünün. Ok, bir pivot noktası görevi gören dikey bir çubuğa tutturulmuştur. Ok dengelenir, böylece kütle merkezi pivot noktasındadır. Rüzgar estiğinde ok döner ve ok başı yaklaşmakta olan rüzgârı gösterir. Ok kuyruğu rüzgar yönünü gösterir.

bir rüzgar gülü ok rüzgarı gösterir çünkü ok kuyruğu ok başından çok daha geniş bir yüzey alanına sahiptir. Akan hava, kuyruğa kafadan daha büyük bir kuvvet uygular, böylece kuyruk itilir. Ok üzerinde yüzey alanının bir tarafta diğeri ile aynı olduğu bir nokta vardır. Bu noktaya basınç merkezi denir. Baskı merkezi kütle merkezi ile aynı yerde değildir. Öyle olsaydı, o zaman okun iki ucu da rüzgar tarafından tercih edilmezdi. Ok işaret etmezdi. Basınç merkezi, kütle merkezi ile okun kuyruk ucu arasındadır. Bu, kuyruk ucunun kafa ucundan daha fazla yüzey alanına sahip olduğu anlamına gelir.

Bir roketteki basınç merkezi kuyruğa doğru yerleştirilmelidir. Kütle merkezi buruna doğru yerleştirilmelidir. Aynı yerde veya birbirlerine çok yakınlarsa, roket uçuşta kararsız olacaktır. Sahadaki kütle merkezi etrafında dönmeye çalışacak ve eksenleri yalpalayarak tehlikeli bir durum oluşturacaktır.

Bir roketin kararlı hale getirilmesi bir tür kontrol sistemi gerektirir. Roketler için kontrol sistemleri bir roketi uçuşta sabit tutar ve yönlendirir. Küçük roketler genellikle sadece dengeleyici bir kontrol sistemi gerektirir. Uyduları yörüngeye fırlatanlar gibi büyük roketler, sadece roketi stabilize etmekle kalmayıp aynı zamanda uçuş sırasında rotasını değiştirmesini sağlayan bir sistem gerektirir.

Roketler üzerindeki kontroller aktif veya pasif olabilir. Pasif kontroller, roketin dış kısmındaki varlıklarından dolayı roketleri sabit tutan sabit cihazlardır. Aktif kontroller, roket uçuş sırasında aracı hareket ettirmek ve yönlendirmek için hareket ettirilebilir.

Tüm pasif kontrollerin en basiti bir çubuktur. Çince ateş okları basınç merkezini kütle merkezinin arkasında tutan sopaların uçlarına monte edilmiş basit roketlerdi. Buna rağmen ateş okları kötü bir şekilde yanlıştı. Basınç merkezinin etkili olabilmesi için havanın roketten geçmesi gerekiyordu. Hâlâ zemindeyken ve hareketsizken, ok yanlış yola sapabilir ve ateş edebilir.

Yangın oklarının doğruluğu yıllar sonra uygun yönde hedeflenen bir oluğa monte edilerek önemli ölçüde geliştirildi. Oluk, kendi başına stabil olacak kadar hızlı hareket edene kadar oku yönlendirdi.

Roketçilikteki bir diğer önemli gelişme, çubukların, nozulun yakınındaki alt ucun etrafına monte edilen hafif kanatçıklar kümeleriyle değiştirilmesi ile ortaya çıktı. Yüzgeçler hafif malzemelerden yapılabilir ve şekillendirilebilir. Roketlere dart benzeri bir görünüm verdiler. Yüzgeçlerin geniş yüzey alanı, basınç merkezini kütle merkezinin arkasında kolayca tuttu. Bazı deneyciler, uçuşta hızlı dönüşü teşvik etmek için yüzgeçlerin alt uçlarını fırıldak tarzında bile büktüler. Bu "spin yüzgeçleri" ile roketler çok daha stabil hale gelir, ancak bu tasarım daha fazla sürükleme üretti ve roketin menzilini sınırladı.

Roketin ağırlığı performans ve menzil için kritik bir faktördür. Orijinal ateş ok çubuğu rokete çok fazla ölü ağırlık ekledi ve bu nedenle menzilini önemli ölçüde sınırladı. 20. yüzyılda modern roketçiliğin başlamasıyla birlikte, roket istikrarını artırmak ve aynı zamanda toplam roket ağırlığını azaltmak için yeni yollar araştırıldı. Cevap aktif kontrollerin geliştirilmesiydi.

Aktif kontrol sistemleri kanatçıkları, hareketli kanatçıkları, kanardları, yalpalanmış nozulları, vernier roketleri, yakıt enjeksiyonunu ve tutum kontrol roketlerini içeriyordu.

Eğimli yüzgeçler ve kanardlar görünüşte birbirine oldukça benzer - tek gerçek fark roket üzerindeki konumudur. Kanatlar ön tarafa monte edilirken, eğimli kanatçıklar arkadadır. Uçuş sırasında, kanatçıklar ve kantonlar hava akışını saptırmak ve roketin rotasını değiştirmesine neden olmak için dümen gibi eğilir. Roketteki hareket sensörleri, planlanmamış yön değişikliklerini algılar ve yüzgeçleri ve kanardları hafifçe eğerek düzeltmeler yapılabilir. Bu iki cihazın avantajı boyutları ve ağırlıklarıdır. Daha küçük ve daha hafiftirler ve büyük kanatçıklardan daha az sürtünme üretirler.

Diğer aktif kontrol sistemleri kanatçıkları ve kanardları tamamen ortadan kaldırabilir. Rota değişiklikleri, egzoz gazının roketin motorundan çıktığı açıyı eğerek uçuşta yapılabilir. Egzoz yönünü değiştirmek için çeşitli teknikler kullanılabilir. Kanatlar, roket motorunun egzozuna yerleştirilen küçük finlike cihazlardır. Kanatçıkları yatırmak egzozu saptırır ve eylem tepkisi ile roket tam tersini göstererek tepki verir.

Egzoz yönünü değiştirmek için başka bir yöntem, nozulu gimbal etmektir. Egzoz gazları içinden geçerken gimbaled nozul sallanabilen bir nozuldur. Motor memesini doğru yönde eğerek roket rotayı değiştirerek tepki verir.

Vernier roketleri de yön değiştirmek için kullanılabilir. Bunlar büyük motorun dışına monte edilmiş küçük roketlerdir. İhtiyaç duyulduğunda ateş ederler ve istenen rota değişikliğini üretir.

Uzayda, roketi sadece rulo ekseni boyunca döndürmek veya motor egzozunu içeren aktif kontroller kullanmak roketi stabilize edebilir veya yönünü değiştirebilir. Kanatların ve kanardların hava olmadan üzerinde çalışacak bir şeyleri yoktur. Uzaydaki roketleri kanatlı ve yüzgeçlerle gösteren bilim kurgu filmleri kurguda uzun ve bilimde kısadır. Uzayda kullanılan en yaygın aktif kontrol türleri tutum kontrol roketleridir. Aracın etrafına küçük motor kümeleri monte edilmiştir. Bu küçük roketlerin doğru kombinasyonunu atarak araç herhangi bir yöne döndürülebilir. Doğru şekilde hedeflenir edilmez, ana motorlar ateşlenir ve roketi yeni yönde gönderir.

kitle performansını etkileyen bir diğer önemli faktördür. Başarılı bir uçuş ile fırlatma rampasında dolaşmak arasındaki farkı yaratabilir. Roket motoru, roket yerden kalkmadan önce aracın toplam kütlesinden daha büyük bir itme kuvveti üretmelidir. Çok fazla gereksiz kütleye sahip bir roket, sadece temel gerekliliklere göre kesilmiş olan bir roket kadar verimli olmayacaktır. Aracın toplam kütlesi, ideal bir roket için bu genel formüle göre dağıtılmalıdır:

• Toplam kütlenin yüzde doksan biri itici gaz olmalıdır.
• Yüzde üçü tank, motor ve palet olmalıdır.
• Yük yüzde 6 oranında olabilir. Yükler, diğer gezegenlere veya uydulara seyahat edecek uydular, astronotlar veya uzay araçları olabilir.

Roket tasarımının etkinliğini belirlerken, roketçiler kitle kesri veya “MF” olarak konuşurlar. Kütlesi roketin iticileri roketin toplam kütlesine bölünerek kütle oranı verir: MF = (İtici Kütle) / (Toplam Kütle)

İdeal olarak, bir roketin kütle oranı 0.91'dir. Bir 1.0 MF'nin mükemmel olduğunu düşünebilir, ancak o zaman tüm roket bir ateş topuna tutuşacak bir itici gazdan başka bir şey olmazdı. MF numarası büyüdükçe, roketin taşıyabileceği yük miktarı azalır. MF numarası ne kadar küçük olursa, aralığı da o kadar az olur. MF1 değeri 0.91, taşıma kapasitesi ve menzil arasında iyi bir dengedir.

Uzay Mekiği'nin MF değeri yaklaşık 0,82'dir. MF, Uzay Mekiği filosundaki farklı yörüngeler arasında ve her görevin farklı yük ağırlıkları ile değişir.

Uzay aracını uzaya taşıyacak kadar büyük roketlerin ciddi kilo problemleri var. Uzayya ulaşmaları ve uygun yörünge hızları bulmaları için büyük bir itici güç gerekir. Bu nedenle, tanklar, motorlar ve ilgili donanım büyür. Bir noktaya kadar, daha büyük roketler daha küçük roketlerden daha uzağa uçar, ancak çok büyüdüklerinde yapıları onları çok fazla ağırlaştırır. Kütle oranı imkansız bir sayıya indirgenmiştir.

Bu soruna bir çözüm 16. yüzyıl havai fişek üreticisi Johann Schmidlap'a yatırılabilir. Büyük roketlerin üstüne küçük roketler taktı. Büyük roket tükendiğinde, roket muhafazası geride bırakıldı ve kalan roket ateşlendi. Çok daha yüksek irtifalara ulaşıldı. Schmidlap tarafından kullanılan bu roketlere step roketleri deniyordu.

Bugün, bir roket inşa etme tekniğine evreleme denir. Evreleme sayesinde sadece uzaya değil, ay ve diğer gezegenlere de ulaşmak mümkün hale geldi. Uzay Mekiği, itici gazlar tükendiğinde sağlam roket güçlendiricilerini ve harici tankını bırakarak adım roket prensibini izler.