Bagaimana Sistem Kontrol Penerbangan Menstabilkan Roket

Membangun mesin roket yang efisien hanyalah sebagian dari masalah. Itu roket juga harus stabil dalam penerbangan. Roket stabil adalah roket yang terbang dengan arah yang halus dan seragam. Sebuah roket yang tidak stabil terbang di sepanjang jalur yang tidak menentu, terkadang jatuh atau berubah arah. Roket tidak stabil berbahaya karena tidak mungkin untuk memprediksi ke mana mereka akan pergi - mereka bahkan mungkin terbalik dan tiba-tiba kembali langsung ke landasan peluncuran.

Semua materi memiliki titik di dalamnya yang disebut pusat massa atau "CM," terlepas dari ukuran, massa, atau bentuknya. Pusat massa adalah tempat yang tepat di mana semua massa benda itu seimbang sempurna.

Anda dapat dengan mudah menemukan pusat massa suatu objek - seperti penggaris - dengan menyeimbangkannya di jari Anda. Jika bahan yang digunakan untuk membuat penggaris memiliki ketebalan dan kerapatan yang seragam, pusat massa harus berada di titik tengah antara satu ujung tongkat dan yang lainnya. CM tidak akan lagi berada di tengah jika kuku yang berat didorong ke salah satu ujungnya. Titik keseimbangan akan mendekati ujung kuku.

CM penting dalam penerbangan roket karena roket yang tidak stabil jatuh di sekitar titik ini. Bahkan, setiap benda yang terbang cenderung jatuh. Jika Anda melemparkan tongkat, ujungnya akan jatuh. Lempar bola dan berputar dalam penerbangan. Tindakan berputar atau berguling menstabilkan suatu benda saat terbang. Frisbee akan pergi ke tempat yang Anda inginkan hanya jika Anda melemparkannya dengan putaran yang disengaja. Cobalah melempar Frisbee tanpa memutarnya dan Anda akan menemukan bahwa ia terbang di jalur yang tidak menentu dan jauh dari sasarannya jika Anda dapat melemparkannya sama sekali.

Spinning atau tumbling terjadi di sekitar satu atau lebih dari tiga sumbu dalam penerbangan: roll, pitch dan yaw. Titik di mana ketiganya bersinggungan adalah pusat massa.

Pitch pitch dan yaw adalah yang paling penting dalam penerbangan roket karena setiap gerakan di salah satu dari dua arah ini dapat menyebabkan roket melenceng. Sumbu gulungan adalah yang paling penting karena gerakan di sepanjang sumbu ini tidak akan mempengaruhi jalur penerbangan.

Faktanya, gerakan memutar akan membantu menstabilkan roket dengan cara yang sama seperti sepak bola yang lewat dengan baik distabilkan dengan menggelindingkan atau menggulungnya dalam penerbangan. Meskipun sepak bola yang lulus dengan buruk mungkin masih terbang ke sasarannya bahkan jika itu jatuh daripada gulungan, roket tidak akan. Energi aksi-reaksi umpan bola sepenuhnya dikeluarkan oleh si pelontar begitu bola meninggalkan tangannya. Dengan roket, daya dorong dari mesin masih diproduksi saat roket dalam penerbangan. Gerakan tidak stabil tentang pitch dan kapak yaw akan menyebabkan roket meninggalkan jalur yang direncanakan. Sistem kontrol diperlukan untuk mencegah atau setidaknya meminimalkan gerakan yang tidak stabil.

Pusat penting lain yang memengaruhi penerbangan roket adalah pusat tekanan atau "CP" -nya. Pusat tekanan hanya ada ketika udara mengalir melewati roket yang bergerak. Udara yang mengalir ini, bergesekan dan mendorong permukaan luar roket, dapat menyebabkannya mulai bergerak di sekitar salah satu dari tiga kapaknya.

Pikirkan baling-baling cuaca, tongkat seperti panah yang dipasang di atap dan digunakan untuk memberi tahu arah angin. Panah terpasang ke batang vertikal yang bertindak sebagai titik pivot. Panah seimbang sehingga pusat massa tepat di titik pivot. Ketika angin bertiup, panah berubah dan kepala panah menunjuk ke angin yang akan datang. Ekor panah menunjuk ke arah angin.

SEBUAH penunjuk arah angin panah menunjuk ke angin karena ujung panah memiliki area permukaan yang jauh lebih besar daripada kepala panah. Udara yang mengalir memberi kekuatan yang lebih besar pada ekor daripada kepala sehingga ekor didorong menjauh. Ada titik di panah di mana area permukaan sama di satu sisi dengan yang lain. Bintik ini disebut pusat tekanan. Pusat tekanan tidak di tempat yang sama dengan pusat massa. Jika ya, maka ujung panah tidak akan disukai oleh angin. Panah tidak akan menunjuk. Pusat tekanan adalah antara pusat massa dan ujung ekor panah. Ini berarti ujung ekor memiliki area permukaan lebih banyak daripada ujung kepala.

Pusat tekanan dalam roket harus terletak ke arah ekor. Pusat massa harus terletak ke arah hidung. Jika mereka berada di tempat yang sama atau sangat dekat satu sama lain, roket akan tidak stabil dalam penerbangan. Ini akan mencoba untuk memutar pusat massa di sumbu pitch dan yaw, menghasilkan situasi yang berbahaya.

Membuat roket stabil membutuhkan beberapa bentuk sistem kontrol. Sistem kontrol untuk roket menjaga roket tetap stabil dalam penerbangan dan mengarahkannya. Roket kecil biasanya hanya membutuhkan sistem kontrol stabilisasi. Roket besar, seperti yang meluncurkan satelit ke orbit, membutuhkan sistem yang tidak hanya menstabilkan roket tetapi juga memungkinkannya untuk mengubah arah saat dalam penerbangan.

Kontrol pada roket bisa aktif atau pasif. Kontrol pasif adalah perangkat tetap yang menjaga agar roket stabil oleh kehadirannya di bagian luar roket. Kontrol aktif dapat dipindahkan ketika roket dalam penerbangan untuk menstabilkan dan mengarahkan pesawat.

Yang paling sederhana dari semua kontrol pasif adalah tongkat. Cina panah api adalah roket sederhana yang dipasang di ujung tongkat yang menjaga pusat tekanan di belakang pusat massa. Panah api terkenal tidak akurat meskipun demikian. Udara harus mengalir melewati roket sebelum pusat tekanan dapat bekerja. Saat masih di tanah dan tidak bergerak, panah mungkin meluncur dan menembak dengan cara yang salah.

Keakuratan panah api ditingkatkan beberapa tahun kemudian dengan memasangnya di palung yang diarahkan ke arah yang tepat. Palung menuntun panah hingga bergerak cukup cepat untuk menjadi stabil dengan sendirinya.

Peningkatan penting lainnya dalam peroketan datang ketika tongkat digantikan oleh kelompok sirip ringan yang dipasang di ujung bawah dekat nozzle. Sirip dapat dibuat dari bahan yang ringan dan bentuknya ramping. Mereka memberi roket penampilan seperti panah. Area permukaan sirip yang besar dengan mudah menjaga pusat tekanan di belakang pusat massa. Beberapa peneliti bahkan menekuk ujung bawah sirip dengan gaya kincir untuk mendorong pemintalan yang cepat dalam penerbangan. Dengan "sirip spin" ini, roket menjadi jauh lebih stabil, tetapi desain ini menghasilkan lebih banyak hambatan dan membatasi jangkauan roket.

Berat roket adalah faktor penting dalam kinerja dan jangkauan. Tongkat panah api asli menambahkan bobot mati terlalu banyak ke roket dan karenanya membatasi jangkauannya. Dengan dimulainya roket modern di abad ke-20, cara-cara baru dicari untuk meningkatkan stabilitas roket dan pada saat yang sama mengurangi bobot roket secara keseluruhan. Jawabannya adalah pengembangan kontrol aktif.

Sistem kontrol aktif termasuk baling-baling, sirip bergerak, canard, nozel gimbaled, roket vernier, injeksi bahan bakar dan roket kendali-sikap.

Sirip dan canard yang memiringkan sangat mirip satu sama lain dalam penampilan - satu-satunya perbedaan nyata adalah lokasinya pada roket. Canard dipasang di ujung depan sementara sirip miring di belakang. Dalam penerbangan, sirip dan canard miring seperti kemudi untuk membelokkan aliran udara dan menyebabkan roket berubah arah. Sensor gerak pada roket mendeteksi perubahan arah yang tidak direncanakan, dan koreksi dapat dilakukan dengan sedikit memiringkan sirip dan canard. Keuntungan dari kedua perangkat ini adalah ukuran dan beratnya. Mereka lebih kecil dan lebih ringan dan menghasilkan lebih sedikit hambatan daripada sirip besar.

Sistem kontrol aktif lainnya dapat menghilangkan sirip dan canard sekaligus. Perubahan jalur dapat dilakukan dalam penerbangan dengan memiringkan sudut di mana gas buang meninggalkan mesin roket. Beberapa teknik dapat digunakan untuk mengubah arah pembuangan. Baling-baling adalah perangkat mirip kecil yang ditempatkan di dalam knalpot mesin roket. Memiringkan baling-baling membelokkan knalpot, dan dengan reaksi aksi, roket merespons dengan menunjuk ke arah yang berlawanan.

Metode lain untuk mengubah arah pembuangan adalah dengan gimbal nozzle. Nozzle gimbal adalah yang dapat bergoyang saat gas buang melewatinya. Dengan memiringkan nosel mesin ke arah yang benar, roket merespons dengan mengubah arah.

Roket Vernier juga dapat digunakan untuk mengubah arah. Ini adalah roket kecil yang dipasang di bagian luar mesin besar. Mereka menembak ketika dibutuhkan, menghasilkan perubahan arah yang diinginkan.

Di ruang angkasa, hanya memutar roket di sepanjang sumbu gulungan atau menggunakan kontrol aktif yang melibatkan knalpot mesin yang dapat menstabilkan roket atau mengubah arahnya. Sirip dan canard tidak dapat bekerja tanpa udara. Film-film fiksi ilmiah yang memperlihatkan roket-roket di angkasa dengan sayap dan sirip yang panjang adalah fiksi dan pendek tentang sains. Jenis kontrol aktif yang paling umum digunakan di ruang angkasa adalah roket kendali-sikap. Sekelompok kecil mesin dipasang di sekitar kendaraan. Dengan menembakkan kombinasi yang tepat dari roket-roket kecil ini, kendaraan dapat diputar ke segala arah. Begitu mereka diarahkan dengan benar, mesin utama menembak, mengirim roket ke arah yang baru.

Itu massa roket adalah faktor penting yang mempengaruhi kinerjanya. Ini dapat membuat perbedaan antara penerbangan yang sukses dan berkeliaran di landasan peluncuran. Mesin roket harus menghasilkan daya dorong yang lebih besar dari total massa kendaraan sebelum roket dapat meninggalkan tanah. Sebuah roket dengan banyak massa yang tidak perlu tidak akan seefisien roket yang hanya dipangkas menjadi esensi telanjang. Total massa kendaraan harus didistribusikan mengikuti formula umum ini untuk roket yang ideal:

• Sembilan puluh satu persen dari total massa harus merupakan propelan.
• Tiga persen harus berupa tank, mesin, dan sirip.
• Payload dapat mencapai 6 persen. Muatan dapat berupa satelit, astronot atau pesawat ruang angkasa yang akan melakukan perjalanan ke planet atau bulan lain.

Dalam menentukan efektivitas desain roket, rocketeer berbicara dalam istilah fraksi massa atau "MF". Massa Propelan roket yang dibagi dengan massa total roket menghasilkan fraksi massa: MF = (Mass of Propellants) / (Total Mass)

Idealnya, fraksi massa roket adalah 0,91. Orang mungkin berpikir bahwa MF 1,0 adalah sempurna, tetapi kemudian seluruh roket tidak lebih dari segumpal propelan yang akan terbakar menjadi bola api. Semakin besar nomor MF, semakin sedikit muatan yang dapat dibawa roket. Semakin kecil nomor MF, semakin sedikit kisarannya. Angka MF 0,91 adalah keseimbangan yang baik antara kemampuan dan jangkauan muatan payload.

Space Shuttle memiliki MF sekitar 0,82. MF bervariasi antara pengorbit yang berbeda dalam armada Space Shuttle dan dengan bobot muatan yang berbeda dari setiap misi.

Roket yang cukup besar untuk membawa pesawat ruang angkasa ke ruang angkasa memiliki masalah berat yang serius. Banyak propelan diperlukan bagi mereka untuk mencapai ruang dan menemukan kecepatan orbit yang tepat. Oleh karena itu, tangki, mesin, dan perangkat keras terkait menjadi lebih besar. Sampai titik tertentu, roket yang lebih besar terbang lebih jauh dari roket yang lebih kecil, tetapi ketika mereka menjadi terlalu besar struktur mereka membebani mereka terlalu banyak. Fraksi massa direduksi menjadi angka yang mustahil.

Solusi untuk masalah ini dapat dikreditkan ke pembuat kembang api abad ke-16 Johann Schmidlap. Dia menempelkan roket kecil ke atas roket besar. Ketika roket besar itu habis, casing roket itu jatuh di belakang dan roket yang tersisa ditembakkan. Ketinggian yang jauh lebih tinggi tercapai. Roket-roket yang digunakan oleh Schmidlap ini disebut roket langkah.

Saat ini, teknik membangun roket ini disebut pementasan. Berkat pementasan, menjadi mungkin tidak hanya untuk mencapai luar angkasa tetapi juga bulan dan planet-planet lainnya. Space Shuttle mengikuti prinsip langkah roket dengan menjatuhkan penguat roket solid dan tangki eksternal saat mereka kehabisan bahan bakar.