Cómo los sistemas de control de vuelo estabilizan los cohetes

Construir un motor de cohete eficiente es solo una parte del problema. los cohete También debe ser estable en vuelo. Un cohete estable es aquel que vuela en una dirección suave y uniforme. Un cohete inestable vuela a lo largo de un camino errático, a veces cayendo o cambiando de dirección. Los cohetes inestables son peligrosos porque no es posible predecir a dónde irán; incluso pueden voltearse y de repente regresar directamente a la plataforma de lanzamiento.

Toda la materia tiene un punto dentro llamado centro de masa o "CM", independientemente de su tamaño, masa o forma. El centro de masa es el lugar exacto donde toda la masa de ese objeto está perfectamente equilibrada.

Puede encontrar fácilmente el centro de masa de un objeto, como una regla, balanceándolo en su dedo. Si el material utilizado para hacer la regla es de espesor y densidad uniformes, el centro de masa debe estar en el punto medio entre un extremo del palo y el otro. El CM ya no estaría en el medio si se clavara un clavo pesado en uno de sus extremos. El punto de equilibrio estaría más cerca del final con la uña.

CM es importante en el vuelo de un cohete porque un cohete inestable cae alrededor de este punto. De hecho, cualquier objeto en vuelo tiende a caer. Si arrojas un palo, se caerá de punta a punta. Lanza una pelota y gira en vuelo. El acto de girar o girar estabiliza un objeto en vuelo. Un Frisbee irá a donde quieras ir solo si lo lanzas con un giro deliberado. Intenta lanzar un Frisbee sin girarlo y verás que vuela en un camino errático y queda muy por debajo de su marca si incluso puedes lanzarlo.

El giro o giro se realiza alrededor de uno o más de tres ejes en vuelo: rodar, inclinar y guiñar. El punto donde se cruzan los tres ejes es el centro de masa.

Los ejes de cabeceo y guiñada son los más importantes en el vuelo de un cohete porque cualquier movimiento en cualquiera de estas dos direcciones puede hacer que el cohete se desvíe. El eje de balanceo es el menos importante porque el movimiento a lo largo de este eje no afectará la trayectoria de vuelo.

De hecho, un movimiento de rodadura ayudará a estabilizar el cohete de la misma manera que se estabiliza un balón de fútbol correctamente al rodarlo o hacerlo girar en espiral en vuelo. Aunque un balón de fútbol mal aprobado puede volar hasta su marca, incluso si cae en lugar de rodar, un cohete no lo hará. El lanzador gasta completamente la energía de acción-reacción de un pase de fútbol en el momento en que la pelota deja su mano. Con los cohetes, el empuje del motor todavía se produce mientras el cohete está en vuelo. Los movimientos inestables sobre el paso y las hachas de guiñada harán que el cohete abandone el rumbo planificado. Se necesita un sistema de control para prevenir o al menos minimizar los movimientos inestables.

Otro centro importante que afecta el vuelo de un cohete es su centro de presión o "CP". El centro de presión existe solo cuando el aire fluye más allá del cohete en movimiento. Este aire que fluye, frotando y empujando contra la superficie exterior del cohete, puede hacer que comience a moverse alrededor de uno de sus tres ejes.

Piense en una veleta, un palo en forma de flecha montado en una azotea y utilizado para indicar la dirección del viento. La flecha está unida a una barra vertical que actúa como un punto de pivote. La flecha está equilibrada, por lo que el centro de masa está justo en el punto de pivote. Cuando sopla el viento, la flecha gira y la punta de la flecha apunta hacia el viento que se aproxima. La cola de la flecha apunta en la dirección del viento.

UNA Veleta la flecha apunta hacia el viento porque la cola de la flecha tiene un área de superficie mucho mayor que la punta de la flecha. El aire que fluye imparte una fuerza mayor a la cola que la cabeza, por lo que la cola se aleja. Hay un punto en la flecha donde el área de superficie es la misma en un lado que en el otro. Este punto se llama centro de presión. El centro de presión no está en el mismo lugar que el centro de masa. Si así fuera, el viento no favorecería ninguno de los extremos de la flecha. La flecha no apuntaría. El centro de presión se encuentra entre el centro de masa y el extremo de la flecha. Esto significa que el extremo de la cola tiene más área de superficie que el extremo de la cabeza.

El centro de presión en un cohete debe estar ubicado hacia la cola. El centro de masa debe estar ubicado hacia la nariz. Si están en el mismo lugar o muy cerca uno del otro, el cohete será inestable en vuelo. Intentará rotar alrededor del centro de masa en el campo y los ejes de guiñada, produciendo una situación peligrosa.

Hacer un cohete estable requiere alguna forma de sistema de control. Los sistemas de control para cohetes mantienen un cohete estable en vuelo y lo dirigen. Los cohetes pequeños generalmente requieren solo un sistema de control estabilizador. Los cohetes grandes, como los que lanzan satélites en órbita, requieren un sistema que no solo estabilice el cohete sino que también le permita cambiar de rumbo mientras está en vuelo.

Los controles en los cohetes pueden ser activos o pasivos. Los controles pasivos son dispositivos fijos que mantienen los cohetes estabilizados por su propia presencia en el exterior del cohete. Los controles activos se pueden mover mientras el cohete está en vuelo para estabilizar y dirigir la nave.

El más simple de todos los controles pasivos es un palo. chino flechas de fuego eran cohetes simples montados en los extremos de palos que mantenían el centro de presión detrás del centro de masa. Las flechas de fuego eran notoriamente inexactas a pesar de esto. El aire tenía que pasar por el cohete antes de que el centro de presión pudiera surtir efecto. Mientras todavía está en el suelo e inmóvil, la flecha puede tambalearse y dispararse en la dirección incorrecta.

La precisión de las flechas de fuego se mejoró considerablemente años más tarde al montarlas en un comedero dirigido en la dirección correcta. El comedero guió la flecha hasta que se movió lo suficientemente rápido como para estabilizarse por sí sola.

Otra mejora importante en la cohetería se produjo cuando los palos fueron reemplazados por grupos de aletas livianas montadas alrededor del extremo inferior cerca de la boquilla. Las aletas podrían estar hechas de materiales livianos y tener una forma aerodinámica. Le dieron a los cohetes una apariencia de dardo. La gran superficie de las aletas mantenía fácilmente el centro de presión detrás del centro de masa. Algunos experimentadores incluso doblaron las puntas inferiores de las aletas en forma de molinete para promover un giro rápido en vuelo. Con estas "aletas giratorias", los cohetes se vuelven mucho más estables, pero este diseño produjo más resistencia y limitó el alcance del cohete.

El peso del cohete es un factor crítico en el rendimiento y el alcance. El palo de flecha de fuego original agregó demasiado peso muerto al cohete y, por lo tanto, limitó considerablemente su alcance. Con el comienzo de los cohetes modernos en el siglo XX, se buscaron nuevas formas de mejorar la estabilidad del cohete y al mismo tiempo reducir el peso total del cohete. La respuesta fue el desarrollo de controles activos.

Los sistemas de control activo incluían álabes, aletas móviles, canards, boquillas con gimbaled, cohetes a vernier, inyección de combustible y cohetes de control de actitud.

Las aletas inclinadas y los canards son bastante similares entre sí en apariencia: la única diferencia real es su ubicación en el cohete. Las canards están montadas en la parte delantera mientras que las aletas basculantes están en la parte trasera. En vuelo, las aletas y las palas se inclinan como timones para desviar el flujo de aire y hacer que el cohete cambie de rumbo. Los sensores de movimiento en el cohete detectan cambios direccionales no planificados, y las correcciones se pueden hacer inclinando ligeramente las aletas y las barbas. La ventaja de estos dos dispositivos es su tamaño y peso. Son más pequeños y livianos y producen menos resistencia que las aletas grandes.

Otros sistemas de control activo pueden eliminar por completo las aletas y las canards. Los cambios de rumbo se pueden hacer en vuelo inclinando el ángulo en el que los gases de escape salen del motor del cohete. Se pueden usar varias técnicas para cambiar la dirección del escape. Las paletas son pequeños dispositivos en forma de aletas colocados dentro del escape del motor del cohete. La inclinación de las paletas desvía el escape, y por acción-reacción el cohete responde señalando en sentido contrario.

Otro método para cambiar la dirección del escape es hacer un cardán en la boquilla. Una boquilla con gimbaled es aquella que puede balancearse mientras los gases de escape pasan a través de ella. Al inclinar la boquilla del motor en la dirección correcta, el cohete responde cambiando de rumbo.

Los cohetes a vernier también se pueden usar para cambiar de dirección. Estos son pequeños cohetes montados en el exterior del gran motor. Disparan cuando es necesario, produciendo el cambio de rumbo deseado.

En el espacio, solo girar el cohete a lo largo del eje del rodillo o usar controles activos que involucren el escape del motor puede estabilizar el cohete o cambiar su dirección. Las aletas y canards no tienen nada sobre lo que trabajar sin aire. Las películas de ciencia ficción que muestran cohetes en el espacio con alas y aletas son largas en ficción y cortas en ciencia. Los tipos más comunes de controles activos utilizados en el espacio son los cohetes de control de actitud. Pequeños grupos de motores están montados alrededor del vehículo. Al disparar la combinación correcta de estos pequeños cohetes, el vehículo se puede girar en cualquier dirección. Tan pronto como se apuntan correctamente, los motores principales se disparan, enviando el cohete en la nueva dirección.

los masa de un cohete es otro factor importante que afecta su rendimiento. Puede marcar la diferencia entre un vuelo exitoso y revolcarse en la plataforma de lanzamiento. El motor del cohete debe producir un empuje que sea mayor que la masa total del vehículo antes de que el cohete pueda salir del suelo. Un cohete con una gran cantidad de masa innecesaria no será tan eficiente como uno que se reduce a lo esencial. La masa total del vehículo debe distribuirse siguiendo esta fórmula general para un cohete ideal:

• Noventa y uno por ciento de la masa total deben ser propulsores.
• El tres por ciento debe ser tanques, motores y aletas.
• La carga útil puede representar el 6 por ciento. Las cargas útiles pueden ser satélites, astronautas o naves espaciales que viajarán a otros planetas o lunas.

Al determinar la efectividad del diseño de un cohete, los cohetes hablan en términos de fracción de masa o "MF". La masa de la Los propulsores del cohete divididos por la masa total del cohete dan una fracción de masa: MF = (Masa de los propulsores) / (Masa total)

Idealmente, la fracción de masa de un cohete es 0.91. Uno podría pensar que un MF de 1.0 es perfecto, pero entonces todo el cohete no sería más que un montón de propulsores que se encenderían en una bola de fuego. Cuanto mayor sea el número MF, menos carga útil puede llevar el cohete. Cuanto más pequeño es el número MF, menor es su rango. Un número MF de 0,91 es un buen equilibrio entre la capacidad de carga útil y el alcance.

El transbordador espacial tiene un MF de aproximadamente 0,82. El MF varía entre los diferentes orbitadores de la flota del transbordador espacial y con los diferentes pesos de carga útil de cada misión.

Los cohetes que son lo suficientemente grandes como para transportar naves espaciales al espacio tienen serios problemas de peso. Se necesita una gran cantidad de propelente para que alcancen el espacio y encuentren las velocidades orbitales adecuadas. Por lo tanto, los tanques, motores y hardware asociado se hacen más grandes. Hasta cierto punto, los cohetes más grandes vuelan más lejos que los cohetes más pequeños, pero cuando se vuelven demasiado grandes, sus estructuras los pesan demasiado. La fracción de masa se reduce a un número imposible.

Una solución a este problema puede atribuirse al fabricante de fuegos artificiales del siglo XVI Johann Schmidlap. Pegó pequeños cohetes a la parte superior de los grandes. Cuando el gran cohete se agotó, la carcasa del cohete se dejó caer y el cohete restante se disparó. Se lograron altitudes mucho más altas. Estos cohetes utilizados por Schmidlap se llamaron cohetes escalonados.

Hoy, esta técnica de construir un cohete se llama puesta en escena. Gracias a la puesta en escena, ha sido posible no solo alcanzar el espacio exterior sino también la luna y otros planetas. El transbordador espacial sigue el principio del cohete escalonado al soltar sus propulsores de cohetes sólidos y el tanque externo cuando están agotados de propulsores.