Raketenstabilitäts- und Flugsteuerungssysteme

Der Bau eines effizienten Raketentriebwerks ist nur ein Teil des Problems. Die Rakete muss auch im Flug stabil sein. Eine stabile Rakete ist eine, die in einer gleichmäßigen Richtung fliegt. Eine instabile Rakete fliegt auf einem unregelmäßigen Weg, der manchmal taumelt oder die Richtung ändert. Instabile Raketen sind gefährlich, da man nicht vorhersagen kann, wohin sie fliegen werden - sie können sogar auf den Kopf gestellt werden und plötzlich direkt zur Startrampe zurückkehren.

Was macht eine Rakete stabil oder instabil??

Alle Materie hat einen inneren Punkt, der unabhängig von ihrer Größe, Masse oder Form als Massenmittelpunkt oder "CM" bezeichnet wird. Der Massenmittelpunkt ist der genaue Punkt, an dem die gesamte Masse dieses Objekts perfekt ausbalanciert ist.

Sie können den Schwerpunkt eines Objekts - beispielsweise eines Lineals - leicht ermitteln, indem Sie es mit dem Finger ausbalancieren. Wenn das zur Herstellung des Lineals verwendete Material eine gleichmäßige Dicke und Dichte aufweist, sollte der Schwerpunkt auf halber Strecke zwischen einem Ende des Stabs und dem anderen liegen. Der CM wäre nicht mehr in der Mitte, wenn ein schwerer Nagel in eines seiner Enden getrieben würde. Der Gleichgewichtspunkt wäre näher am Ende mit dem Nagel.

CM ist wichtig für den Raketenflug, da eine instabile Rakete um diesen Punkt stürzt. Tatsächlich neigt jeder Gegenstand im Flug dazu, zu stürzen. Wenn Sie einen Stock werfen, stürzt er Ende über Ende. Wirf einen Ball und er dreht sich im Flug. Das Drehen oder Stolpern stabilisiert ein Objekt im Flug. Ein Frisbee wird nur dann dorthin gehen, wo Sie ihn haben möchten, wenn Sie ihn mit einer bewussten Drehung werfen. Versuchen Sie, einen Frisbee zu werfen, ohne ihn zu drehen, und Sie werden feststellen, dass er auf einem unregelmäßigen Weg fliegt und weit hinter seiner Marke zurückbleibt, wenn Sie ihn überhaupt werfen können. 

Roll, Pitch und Yaw

Das Drehen oder Taumeln erfolgt im Flug um eine oder mehrere der drei Achsen: Rollen, Nicken und Gieren. Der Punkt, an dem sich alle drei Achsen schneiden, ist der Schwerpunkt.

Die Nick- und Gierachsen sind die wichtigsten im Raketenflug, da jede Bewegung in eine dieser beiden Richtungen dazu führen kann, dass die Rakete vom Kurs abweicht. Die Rollachse ist am unwichtigsten, da Bewegungen entlang dieser Achse den Flugweg nicht beeinflussen.

Tatsächlich hilft eine Rollbewegung dabei, die Rakete so zu stabilisieren, wie ein ordnungsgemäß überholter Fußball stabilisiert wird, indem er im Flug gerollt oder gewunden wird. Obwohl ein schlecht bestandener Fußball immer noch zu seinem Ziel fliegen kann, selbst wenn er eher fällt als rollt, wird eine Rakete dies nicht tun. Die Action-Reaktions-Energie eines Fußballpasses wird vom Werfer in dem Moment vollständig verbraucht, in dem der Ball seine Hand verlässt. Bei Raketen wird der Schub des Motors immer noch erzeugt, während die Rakete im Flug ist. Instabile Bewegungen um die Nick- und Gierachse führen dazu, dass die Rakete den geplanten Kurs verlässt. Ein Steuersystem wird benötigt, um instabile Bewegungen zu verhindern oder zumindest zu minimieren.

Das Zentrum des Drucks

Ein weiteres wichtiges Zentrum, das den Flug einer Rakete beeinflusst, ist das Druckzentrum oder „CP“. Das Druckzentrum existiert nur, wenn Luft an der sich bewegenden Rakete vorbeiströmt. Diese strömende Luft, die an der äußeren Oberfläche der Rakete reibt und gegen diese drückt, kann dazu führen, dass sie sich um eine ihrer drei Achsen zu bewegen beginnt.

Stellen Sie sich eine Wetterfahne vor, einen pfeilähnlichen Stock, der auf einem Dach montiert ist und zur Anzeige der Windrichtung verwendet wird. Der Pfeil ist an einer vertikalen Stange befestigt, die als Drehpunkt fungiert. Der Pfeil ist ausgeglichen, sodass der Schwerpunkt genau am Drehpunkt liegt. Wenn der Wind weht, dreht sich der Pfeil und die Pfeilspitze zeigt in den aufkommenden Wind. Das Ende des Pfeils zeigt nach unten.

Ein Wetterfahnenpfeil zeigt in den Wind, da die Pfeilspitze eine viel größere Oberfläche hat als die Pfeilspitze. Die strömende Luft übt auf den Schwanz eine größere Kraft aus als auf den Kopf, sodass der Schwanz weggeschoben wird. Auf dem Pfeil befindet sich ein Punkt, an dem die Oberfläche auf der einen Seite dieselbe ist wie auf der anderen. Dieser Punkt wird als Druckmittelpunkt bezeichnet. Der Druckmittelpunkt befindet sich nicht am gleichen Ort wie der Massenmittelpunkt. Wäre dies der Fall, würde kein Pfeilende vom Wind bevorzugt. Der Pfeil würde nicht zeigen. Der Druckmittelpunkt liegt zwischen dem Massenmittelpunkt und dem hinteren Ende des Pfeils. Dies bedeutet, dass das Schwanzende mehr Oberfläche als das Kopfende hat.

Das Druckzentrum einer Rakete muss zum Heck zeigen. Der Schwerpunkt muss zur Nase zeigen. Befinden sie sich am selben Ort oder sehr nahe beieinander, ist die Rakete im Flug instabil. Es wird versucht, sich in der Nick- und Gierachse um den Schwerpunkt zu drehen, was eine gefährliche Situation zur Folge hat.

Kontroll systeme

Um eine Rakete stabil zu machen, ist eine Art Kontrollsystem erforderlich. Steuersysteme für Raketen halten eine Rakete im Flug stabil und steuern sie. Kleine Raketen benötigen normalerweise nur ein stabilisierendes Kontrollsystem. Große Raketen, beispielsweise solche, die Satelliten in die Umlaufbahn bringen, erfordern ein System, das die Rakete nicht nur stabilisiert, sondern auch im Flug eine Kursänderung ermöglicht.

Die Steuerung von Raketen kann entweder aktiv oder passiv sein. Passive Steuerungen sind ortsfeste Vorrichtungen, die die Raketen durch ihre Präsenz an der Außenseite der Rakete stabilisieren. Aktive Bedienelemente können während des Fluges der Rakete bewegt werden, um das Fahrzeug zu stabilisieren und zu steuern.

Passive Steuerungen

Die einfachste aller passiven Steuerungen ist ein Stick. Chinesische Feuerpfeile waren einfache Raketen, die an den Enden von Stöcken angebracht waren, die den Druckmittelpunkt hinter dem Massenmittelpunkt hielten. Trotzdem waren Feuerpfeile notorisch ungenau. Luft musste an der Rakete vorbeiströmen, bevor der Druckmittelpunkt wirksam werden konnte. Noch am Boden und unbeweglich kann der Pfeil taumeln und in die falsche Richtung schießen.