Wie wird eine Rakete während des anfänglichen Teils des Starts mit niedriger Geschwindigkeit stabilisiert?

Sie können das Problem reproduzieren, indem Sie einen Bleistift mit der Spitze voran auf Ihren Finger legen. Versuchen Sie, den Bleistift/die Rakete aufrecht zu halten, indem Sie Ihre Hand hin und her bewegen. Wenn Sie es länger als ein paar Sekunden geschafft haben, herzlichen Glückwunsch! Sie schneiden besser ab als Proton 535-43 .

In den sehr frühen Stadien des Fluges (bevor die Aerodynamik einen großen Einfluss hat) kann die Rakete wie der Bleistift als umgekehrtes Pendel beschrieben werden. Um sich selbst stabil zu halten, muss die Rakete sicherstellen, dass der Schubvektor ihrer Triebwerke direkt durch ihren Schwerpunkt verläuft.

Von http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/gimbaled.html

Die meisten modernen Raketen kardanisieren ihre Triebwerke, um den Schub zu lenken, aber es ist nicht die einzige Möglichkeit, eine Schubvektorsteuerung zu erreichen . Hier sind noch ein paar:

Weitere Informationen finden Sie unter Quelle . (Anmerkung: Teile der Seite scheinen mit Rocket Propulsion Elements, George P. Sutton, Oscar Biblarz identisch zu sein .)

Eine der einfachsten Möglichkeiten zur Lösung des inversen Pendelproblems ist die Verwendung eines Proportional-Integral-Differential-Reglers (PID-Regler). Ich lasse es Wikipedia erklären :

Ein Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) ist ein Regelkreis-Rückkopplungsmechanismus (Regler), der üblicherweise in industriellen Steuersystemen verwendet wird. Ein PID-Regler berechnet kontinuierlich einen "Fehlerwert" als Differenz zwischen einer gemessenen Prozessvariablen und einem gewünschten Sollwert. Der Regler versucht, den Fehler über die Zeit zu minimieren, indem er eine Regelgröße, wie z. B. die Position eines Regelventils, eines Dämpfers oder die einem Heizelement zugeführte Leistung, auf einen neuen Wert anpasst, der durch eine gewichtete Summe bestimmt wird:

$$u(t) = K_pe(t) + K_i\int^t_0e(\tau)d\tau+K_d\frac{de}{dt}$$

wo$K_p$,$K_i$, und$K_d$, alle nicht negativ, bezeichnen die Koeffizienten für die Proportional-, Integral- bzw. Ableitungsterme (manchmal auch als$P$,$I$, und$D$).

Control Solutions, Inc. hat auf ihrer Website eine sehr gute (und recht einfach zu befolgende) Erklärung der bloßen Grundlagen eines PID-Reglers.

Die anderen Antworten hier sind richtig: Gimbaling oder andere aktive Korrekturmaßnahmen werden verwendet.

Während die meisten Trägerraketen versuchen, einen vertikalen Flug von der Startrampe aufrechtzuerhalten, ist die Antares -Rakete für das absichtliche „Baumgartner-Manöver“ bekannt, das sie beim Start durchführt, indem sie den Motor absichtlich kardanisch aufhängt, um sich in den ersten Sekunden des Fluges wie Sie vom Turm weg zu manövrieren kann hier sehen .

Die meisten Raketen kardanisieren ihre Triebwerke aktiv, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Das leichte Verschieben der Schubachse funktioniert gut, um es aufrecht zu halten.

Der Vergleich einer Rakete mit einem Bleistift an Ihrem Finger ist der Irrtum der Pendelrakete. Wenn Sie den Bleistift ausbalancieren, hängt die Richtung der Normalkraft von der Richtung der Schwerkraft, der Haltung des Bleistifts und der Position Ihres Fingers ab, ist aber im Allgemeinen nach oben gerichtet. Wenn der Bleistift spitzt, ist er instabil, weil das störende Drehmoment zunimmt. Das Drehmoment eines kardanisch aufgehängten Raketentriebwerks hängt nicht von der Lage oder der Schwerkraft ab, da der Schubwinkel in Relation zur Rakete selbst steht, nicht zum Boden. Wichtig ist nur der Betätigungswinkel des Gimbals, damit kein Ausreißer entsteht. Es ist nicht schwieriger zu stabilisieren, als wenn der Motor oben wäre – wenn überhaupt, ist es einfacher, da die Betätigung weiter vom Massenmittelpunkt entfernt ist, der näher an der Nase liegt. Robert Goddard machte diese Fehleinschätzung bekanntermaßen, als er Pionierarbeit in der Raketentechnik mit frühen Raketenprototypen leistete, die den Motor an der Spitze platzierten. Es hatte keinen Einfluss auf die Stabilität und ohne aktive Kontrolle oder aerodynamische Stabilität durch das Design raste es in den Boden. Es ist kein umgekehrtes Pendel, da die Schwerkraft auf alle Teile gleichermaßen wirkt und es keinen eingeschränkten Drehpunkt gibt. Es ist nur eine Masse im freien Fall mit einem Eingangsdrehmoment, von dem man sich vorstellen kann, dass es an allen Punkten gleichzeitig wirkt, wenn man die Biegung in der Struktur außer Acht lässt.