Rocket Stability and Flight Control Systems

Het bouwen van een efficiënte raketmotor is slechts een deel van het probleem. De raket moet tijdens de vlucht ook stabiel zijn. Een stabiele raket is er een die in een soepele, uniforme richting vliegt. Een onstabiele raket vliegt over een grillig pad, soms tuimelend of veranderend van richting. Onstabiele raketten zijn gevaarlijk omdat het niet mogelijk is om te voorspellen waar ze zullen gaan - ze kunnen zelfs ondersteboven keren en plotseling direct teruggaan naar het lanceerplatform.

Wat maakt een raket stabiel of instabiel?

Alle materie heeft een punt binnenin dat het centrum van massa of 'CM' wordt genoemd, ongeacht de grootte, massa of vorm. Het centrum van massa is de exacte plek waar alle massa van dat object perfect in balans is.

U kunt het massa-centrum van een object - zoals een liniaal - gemakkelijk vinden door het op uw vinger te balanceren. Als het materiaal dat wordt gebruikt om de liniaal te maken, een uniforme dikte en dichtheid heeft, moet het massamiddelpunt zich op het midden tussen het ene uiteinde van de stok en het andere bevinden. De CM zou niet langer in het midden zijn als een zware spijker in een van zijn uiteinden werd geslagen. Het balanspunt zou dichter bij het einde zijn met de nagel.

CM is belangrijk in raketvlucht omdat een onstabiele raket rond dit punt tuimelt. In feite heeft elk object tijdens de vlucht de neiging om te tuimelen. Als je een stok gooit, zal deze eind over eind tuimelen. Gooi een bal en hij draait tijdens de vlucht. Het draaien of tuimelen stabiliseert een object tijdens de vlucht. Een Frisbee zal alleen gaan waar je hem wilt hebben als je hem met een opzettelijke draai gooit. Probeer een frisbee te gooien zonder hem te draaien en je zult merken dat hij op een grillig pad vliegt en ver onder zijn streep valt als je hem zelfs maar kunt gooien. 

Roll, Pitch en Yaw

Draaien of tuimelen vindt plaats rond een of meer van de drie assen tijdens de vlucht: rollen, stampen en gieren. Het punt waar alle drie deze assen elkaar kruisen is het middelpunt van de massa.

De pitch- en gierassen zijn de belangrijkste in raketvlucht omdat elke beweging in een van deze twee richtingen ervoor kan zorgen dat de raket uit koers raakt. De rolas is het minst belangrijk omdat beweging langs deze as de vliegbaan niet zal beïnvloeden.

In feite zal een rollende beweging de raket helpen stabiliseren op dezelfde manier als een goed gepasseerd voetbal wordt gestabiliseerd door het tijdens de vlucht te rollen of te draaien. Hoewel een slecht doorgegeven voetbal nog steeds naar zijn doel vliegt, zelfs als het tuimelt in plaats van rolt, zal een raket dat niet doen. De actie-reactie-energie van een voetbalpas wordt volledig verbruikt door de werper op het moment dat de bal zijn hand verlaat. Bij raketten wordt de stuwkracht van de motor nog steeds geproduceerd terwijl de raket in vlucht is. Onstabiele bewegingen over de toonhoogte en gierassen zullen de raket de geplande koers verlaten. Een besturingssysteem is nodig om instabiele bewegingen te voorkomen of op zijn minst te minimaliseren.

Het centrum van druk

Een ander belangrijk centrum dat de vlucht van een raket beïnvloedt, is het drukcentrum of 'CP'. Het drukcentrum bestaat alleen wanneer lucht langs de bewegende raket stroomt. Deze stromende lucht, wrijvend en duwend tegen het buitenoppervlak van de raket, kan ervoor zorgen dat deze rond een van zijn drie assen begint te bewegen.

Denk aan een windwijzer, een pijlachtige stok die op een dak is gemonteerd en wordt gebruikt om de windrichting te bepalen. De pijl is bevestigd aan een verticale staaf die als draaipunt fungeert. De pijl is uitgebalanceerd zodat het massamiddelpunt precies op het draaipunt ligt. Wanneer de wind waait, draait de pijl en wijst de kop van de pijl in de aankomende wind. De staart van de pijl wijst in de richting van de wind.

Een windwijzerpijl wijst in de wind omdat de staart van de pijl een veel groter oppervlak heeft dan de pijlpunt. De stromende lucht oefent een grotere kracht uit op de staart dan de kop, zodat de staart wordt weggeduwd. Er is een punt op de pijl waar het oppervlak aan de ene kant hetzelfde is als de andere. Deze plek wordt het centrum van druk genoemd. Het middelpunt van de druk bevindt zich niet op dezelfde plaats als het middelpunt van de massa. Als dat zo was, zou geen van beide uiteinden van de pijl worden begunstigd door de wind. De pijl wijst niet. Het middelpunt van de druk ligt tussen het middelpunt van de massa en het uiteinde van de pijl. Dit betekent dat het uiteinde meer oppervlakte heeft dan het hoofdeinde.

Het middelpunt van de druk in een raket moet zich naar de staart bevinden. Het middelpunt van de massa moet zich in de richting van de neus bevinden. Als ze zich op dezelfde plaats of heel dicht bij elkaar bevinden, zal de raket tijdens de vlucht onstabiel zijn. Het zal proberen rond het middelpunt van de massa in de steek- en gierassen te roteren, waardoor een gevaarlijke situatie ontstaat.

Controlesystemen

Een raket stabiel maken vereist een of andere vorm van controlesysteem. Besturingssystemen voor raketten houden een raket tijdens de vlucht stabiel en sturen deze. Kleine raketten vereisen meestal alleen een stabiliserend besturingssysteem. Grote raketten, zoals degenen die satellieten in een baan om de aarde lanceren, vereisen een systeem dat niet alleen de raket stabiliseert, maar ook in staat stelt om van koers te veranderen tijdens de vlucht.

Besturing op raketten kan actief of passief zijn. Passieve controles zijn vaste apparaten die raketten gestabiliseerd houden door hun aanwezigheid aan de buitenkant van de raket. Actieve bedieningselementen kunnen worden verplaatst terwijl de raket vliegt om het vaartuig te stabiliseren en te besturen.

Passieve bedieningselementen

De eenvoudigste van alle passieve bedieningselementen is een stok. Chinese vuurpijlen waren eenvoudige raketten gemonteerd op de uiteinden van stokken die het middelpunt van de druk achter het middelpunt van de massa hielden. Vuurpijlen waren desondanks notoir onnauwkeurig. Lucht moest langs de raket stromen voordat het centrum van druk in werking kon treden. Terwijl hij nog op de grond is en onbeweeglijk, kan de pijl slingeren en op de verkeerde manier schieten.