Como os sistemas de controle de vôo estabilizam foguetes

Construir um motor de foguete eficiente é apenas parte do problema. o foguete também deve ser estável em voo. Um foguete estável é aquele que voa em uma direção suave e uniforme. Um foguete instável voa por um caminho irregular, às vezes caindo ou mudando de direção. Foguetes instáveis ​​são perigosos porque não é possível prever para onde eles vão - eles podem até virar de cabeça para baixo e de repente voltar diretamente para a plataforma de lançamento.

Toda matéria tem um ponto no interior chamado centro de massa ou "CM", independentemente de seu tamanho, massa ou forma. O centro de massa é o local exato em que toda a massa desse objeto está perfeitamente equilibrada.

Você pode encontrar facilmente o centro de massa de um objeto - como uma régua - equilibrando-o no dedo. Se o material usado para fabricar a régua tiver espessura e densidade uniformes, o centro de massa deve estar no meio do caminho entre uma extremidade da haste e a outra. O CM não estaria mais no meio se uma haste pesada fosse enfiada em uma de suas extremidades. O ponto de equilíbrio estaria mais próximo do final com a unha.

O CM é importante no vôo do foguete, porque um foguete instável cai nesse ponto. De fato, qualquer objeto em vôo tende a cair. Se você atirar um pedaço de pau, ele cairá de ponta a ponta. Jogue uma bola e ela gira em voo. O ato de girar ou tombar estabiliza um objeto em voo. Um Frisbee irá para onde você quiser, apenas se você jogá-lo com um giro deliberado. Tente jogar um Frisbee sem girá-lo e você verá que ele voa em um caminho irregular e fica muito aquém da sua marca, se é que você pode jogá-lo.

A rotação ou a queda ocorrem em torno de um ou mais dos três eixos em vôo: rotação, inclinação e guinada. O ponto em que todos esses três eixos se cruzam é ​​o centro de massa.

Os eixos de inclinação e guinada são os mais importantes no vôo do foguete, porque qualquer movimento nessas duas direções pode fazer com que o foguete saia do curso. O eixo de rolagem é o menos importante porque o movimento ao longo desse eixo não afetará a trajetória de vôo.

De fato, um movimento de rolagem ajudará a estabilizar o foguete da mesma maneira que uma bola de futebol passada corretamente é estabilizada rolando ou girando em espiral. Embora um futebol mal passado ainda possa atingir sua marca, mesmo que caia em vez de rolar, um foguete não o fará. A energia de ação-reação de um passe de futebol é completamente gasta pelo arremessador no momento em que a bola sai de sua mão. Com foguetes, o impulso do motor ainda é produzido enquanto o foguete está em vôo. Movimentos instáveis ​​sobre os eixos de inclinação e guinada farão com que o foguete saia do curso planejado. É necessário um sistema de controle para evitar ou pelo menos minimizar movimentos instáveis.

Outro centro importante que afeta o voo de um foguete é o centro de pressão ou "CP". O centro de pressão existe apenas quando o ar passa pelo foguete em movimento. Esse ar que flui, esfregando e empurrando contra a superfície externa do foguete, pode fazer com que ele comece a se mover em torno de um de seus três eixos.

Pense em um cata-vento, um graveto em forma de flecha montado no telhado e usado para indicar a direção do vento. A seta está presa a uma haste vertical que atua como um ponto de articulação. A seta é equilibrada, de modo que o centro de massa esteja no ponto de articulação. Quando o vento sopra, a flecha gira e a ponta da flecha aponta para o vento que se aproxima. A ponta da seta aponta na direção do vento.

UMA cata-vento A seta aponta para o vento porque a ponta da seta tem uma área de superfície muito maior que a ponta da seta. O ar que flui confere uma força maior à cauda do que à cabeça, de modo que a cauda é empurrada para longe. Há um ponto na seta em que a área da superfície é a mesma de um lado e do outro. Este ponto é chamado de centro de pressão. O centro de pressão não está no mesmo local que o centro de massa. Se fosse, nenhum dos lados da flecha seria favorecido pelo vento. A flecha não apontaria. O centro de pressão está entre o centro de massa e o final da seta. Isso significa que a extremidade da cauda possui mais área de superfície do que a extremidade da cabeça.

O centro de pressão em um foguete deve estar localizado em direção à cauda. O centro de massa deve estar localizado em direção ao nariz. Se eles estiverem no mesmo lugar ou muito próximos um do outro, o foguete ficará instável em voo. Ele tentará girar em torno do centro de massa nos eixos de inclinação e guinada, produzindo uma situação perigosa.

Tornar um foguete estável requer alguma forma de sistema de controle. Os sistemas de controle de foguetes mantêm um foguete estável em vôo e o dirigem. Pequenos foguetes geralmente requerem apenas um sistema de controle estabilizador. Foguetes grandes, como os que lançam satélites em órbita, exigem um sistema que não apenas estabilize o foguete, mas também permita que ele mude de rumo durante o vôo.

Os controles nos foguetes podem ser ativos ou passivos. Os controles passivos são dispositivos fixos que mantêm os foguetes estabilizados por sua presença no exterior do foguete. Os controles ativos podem ser movidos enquanto o foguete está em vôo para estabilizar e dirigir a nave.

O mais simples de todos os controles passivos é um bastão. chinês flechas de fogo eram simples foguetes montados nas extremidades de paus que mantinham o centro de pressão atrás do centro de massa. Flechas de fogo eram notoriamente imprecisas, apesar disso. O ar precisava passar pelo foguete antes que o centro de pressão pudesse entrar em vigor. Enquanto ainda está no chão e imóvel, a flecha pode balançar e disparar na direção errada.

A precisão das flechas de fogo foi melhorada consideravelmente anos depois, montando-as em uma calha direcionada na direção correta. A calha guiou a flecha até que ela se movesse rápido o suficiente para se tornar estável por si mesma.

Outra melhoria importante no foguete ocorreu quando os paus foram substituídos por grupos de aletas leves montadas na extremidade inferior, perto do bico. As barbatanas podem ser feitas de materiais leves e ter uma forma aerodinâmica. Eles deram aos foguetes uma aparência de dardo. A grande área de superfície das barbatanas mantinha facilmente o centro de pressão atrás do centro de massa. Alguns pesquisadores até dobraram as pontas inferiores das barbatanas de maneira cata-vento para promover a rotação rápida em voo. Com essas "aletas giratórias", os foguetes se tornam muito mais estáveis, mas esse design produziu mais resistência e limitou o alcance do foguete.

O peso do foguete é um fator crítico no desempenho e alcance. A flecha de flecha de fogo original acrescentou muito peso morto ao foguete e, portanto, limitou consideravelmente seu alcance. Com o início dos foguetes modernos no século 20, novas formas foram buscadas para melhorar a estabilidade dos foguetes e, ao mesmo tempo, reduzir o peso total dos foguetes. A resposta foi o desenvolvimento de controles ativos.

Os sistemas de controle ativo incluíam palhetas, aletas móveis, canards, bicos com gimbal, foguetes vernier, injeção de combustível e foguetes de controle de atitude.

As barbatanas e canards inclinados são bastante parecidos entre si na aparência - a única diferença real é a localização no foguete. Os canards são montados na extremidade frontal, enquanto as aletas de inclinação estão na parte traseira. Em vôo, as barbatanas e os canards se inclinam como lemes para desviar o fluxo de ar e fazer com que o foguete mude de rumo. Os sensores de movimento no foguete detectam alterações direcionais não planejadas e as correções podem ser feitas inclinando ligeiramente as aletas e os canards. A vantagem desses dois dispositivos é seu tamanho e peso. Eles são menores e mais leves e produzem menos resistência que as barbatanas grandes.

Outros sistemas de controle ativo podem eliminar completamente as barbatanas e os canards. Alterações de curso podem ser feitas em voo, inclinando o ângulo em que o gás de escape sai do motor do foguete. Várias técnicas podem ser usadas para alterar a direção do escapamento. As palhetas são pequenos dispositivos finos colocados dentro do escapamento do motor de foguete. Inclinar as palhetas desvia o escape e, por ação-reação, o foguete responde apontando para o lado oposto.

Outro método para alterar a direção do escapamento é o gimbal do bico. Um bico gimbal é capaz de oscilar enquanto os gases de escape passam por ele. Ao inclinar o bico do motor na direção correta, o foguete responde mudando de rumo.

Foguetes Vernier também podem ser usados ​​para mudar de direção. Estes são pequenos foguetes montados na parte externa do motor grande. Eles disparam quando necessário, produzindo a mudança de curso desejada.

No espaço, apenas girar o foguete ao longo do eixo do rolo ou usar controles ativos que envolvam a exaustão do motor pode estabilizar o foguete ou mudar sua direção. Barbatanas e canards não têm nada para trabalhar sem ar. Os filmes de ficção científica que mostram foguetes no espaço com asas e barbatanas têm muito tempo de ficção e pouco de ciência. Os tipos mais comuns de controles ativos usados ​​no espaço são os foguetes de controle de atitude. Pequenos grupos de motores são montados em todo o veículo. Ao disparar a combinação certa desses pequenos foguetes, o veículo pode ser girado em qualquer direção. Assim que são apontados corretamente, os motores principais disparam, lançando o foguete na nova direção.

o massa de um foguete é outro fator importante que afeta seu desempenho. Pode fazer a diferença entre um vôo bem-sucedido e mergulhar na plataforma de lançamento. O motor do foguete deve produzir um impulso maior que a massa total do veículo antes que o foguete possa sair do chão. Um foguete com muita massa desnecessária não será tão eficiente quanto um que é aparado apenas para o essencial. A massa total do veículo deve ser distribuída seguindo esta fórmula geral para um foguete ideal:

• Noventa e um por cento da massa total devem ser propulsores.
• Três por cento devem ser tanques, motores e aletas.
• A carga útil pode representar 6%. As cargas úteis podem ser satélites, astronautas ou naves espaciais que viajarão para outros planetas ou luas.

Ao determinar a eficácia de um projeto de foguete, os foguetões falam em termos de fração de massa ou "MF". A massa do os propulsores do foguete divididos pela massa total do foguete fornecem a fração de massa: MF = (massa de propulsores) / (massa total)

Idealmente, a fração de massa de um foguete é de 0,91. Pode-se pensar que um MF de 1,0 é perfeito, mas todo o foguete seria apenas um monte de propulsores que inflamariam uma bola de fogo. Quanto maior o número MF, menor a carga útil que o foguete pode transportar. Quanto menor o número MF, menor o alcance. Um número MF de 0,91 é um bom equilíbrio entre a capacidade de carga útil e o alcance.

O ônibus espacial tem um MF de aproximadamente 0,82. O MF varia entre os diferentes orbitadores da frota de ônibus espaciais e com os diferentes pesos de carga útil de cada missão.

Foguetes grandes o suficiente para transportar naves espaciais têm sérios problemas de peso. É necessário uma grande quantidade de propulsor para que eles alcancem o espaço e encontrem velocidades orbitais adequadas. Portanto, os tanques, motores e hardware associado se tornam maiores. Até certo ponto, foguetes maiores voam mais longe do que foguetes menores, mas quando se tornam grandes demais suas estruturas os pesam demais. A fração de massa é reduzida para um número impossível.

Uma solução para esse problema pode ser creditada ao fabricante de fogos de artifício do século XVI, Johann Schmidlap. Ele colocou pequenos foguetes no topo dos grandes. Quando o foguete grande estava exausto, o corpo do foguete foi deixado para trás e o foguete restante foi disparado. Altitudes muito mais altas foram alcançadas. Esses foguetes usados ​​por Schmidlap foram chamados foguetes de passo.

Hoje, essa técnica de construção de um foguete é chamada de teste. Graças à encenação, tornou-se possível não apenas alcançar o espaço sideral, mas também a lua e outros planetas. O ônibus espacial segue o princípio dos foguetes, retirando seus propulsores de foguetes sólidos e o tanque externo quando eles estão exaustos de propulsores.