Stabilność rakiet

[angorek]

Witam

Każdemu graczowi, czy to staremu wyjadaczowi czy początkującemu zdarzyło się że rakieta zrobiła fikołka lub leciała prosto do góry i praktycznie nie dało się nią sterować. I wtedy pojawia się pytanie, ale dlaczego ?

Jednym z podstawowych parametrów rakiety poza masą, ciągiem itd. jest jej stabilność.
Stabilność określa zdolność rakiety do zachowania stałego kierunku lotu i jej odporność na siły zewnętrzne. W zależności od kształtu i rozłożenia masy rakieta może być :
- stabilna
- stabilna neutralnie
- niestabilna

Można to w prosty sposób wyjaśnić na przykładzie piłeczki :


W pierwszym przypadku piłeczka wytrącona ze stanu równowagi zacznie się kołysać, za każdym razem wychylając się coraz mniej aż w końcu powróci do punktu równowagi.


W drugim przypadku kulka po wytrąceniu z równowagi zacznie pogłębiać swe odchylenie.


W przypadku trzecim kulka nie posiada  stanu równowagi, nie będzie ani odchylać się bardziej, ani nie będzie próbowała wracać do punktu początkowego. Można to porównać do stanu nieważkości.


Na przykładzie rakiety :


Okej. Ale od czego zależy to czy rakieta jest stabilna, neutralna czy niestabilna ?
Stabilność zależy tylko od dwóch czynników : środka ciężkości CG , i środka parcia CP.
Środek parcia to punkt w którym przyłożona jest siła wypadkowa wszystkich sił aerodynamicznych działających na rakietę.
Rakieta może obrócić się tylko wokół środka ciężkości.



Rakieta jest stabilna gdy środek parcia znajduje się poniżej środka ciężkości.
Rakieta jest neutralnie stabilna gdy środek parcia znajduje się dokładnie w miejscu środka ciężkości.
Rakieta jest niestabilna gdy środek parcia znajduje się powyżej środka ciężkości.





Jak to się ma do KSP ?
A no mamy szczęście bo gra automatycznie liczy za nas wszystkie siły, i możemy sobie wyświetlić zarówno środek ciężkości jak i środek parcia, oraz kierunek działania sił. Gra zakłada że powietrze "płynie" w VAB pionowo, więc odchylając rakietę możemy zobaczyć jak się zachowa na danych kątach natarcia. Dodatkowo warto sprawdzić czy puste zbiorniki nie spowodują przesunięcia środka ciężkości w dół i wywrotki rakiety.
Jeśli rakietą nie da się sterować i bardzo opornie reaguje na stery, znaczy to że jest ona zbyt stabilna i siła wywierana przez zmianę kierunku ciągu silników, RCS itd. jest zbyt mała by przezwyciężyć opory aerodynamiczne. Aby się tego pozbyć należy tak przebudować rakietę by środek parcia i ciężkości były bliżej siebie.


Dla przykładu użyłem rakiety Kerbal X, jak widzimy jest ona stateczna i bez problemu poleci do góry.



Ale po dodaniu stateczników na dziobie, niestety już tego nie zrobi :




Oczywiście w grze mamy do dyspozycji takie narzędzia jak SAS czy wektorowany ciąg, także nawet lekko niestabilne rakiety będą w stanie lecieć będąc sterowanymi przez komputer, ale zasadę stabilności warto znać i się do niej stosować.


Edit : Część druga : Aby zobaczyć link - ZAREJESTRUJ SIĘ lub ZALOGUJ SIĘ


Źródło : Aby zobaczyć link - ZAREJESTRUJ SIĘ lub ZALOGUJ SIĘ

[Sobol]

@angorek To jest genialne. Ktoś w końcu w prosty sposób to wyjaśnił. Nie to, że jakoś specjalnie zwracałem na to kiedykolwiek uwagę, ale zauważam przydatność dużo większą niż w stocku dla RO gdzie fikołki i inne takie to dość częste zjawisko.

[winged]

Taka sytuacja w RO zdarza się gdy budujemy rakietę skladającą się z gęstego paliwa na dole i niezbyt gęstego na górze. CoM zostaje wówczas na dole ale CoL jest niebezpiecznie wysoko i trzeba dodać stateczniki na dole aby je obniżyć. Przykład ze swiata rzeczywistego: Saturn IB i Saturn V. W obu przypadkach mamy gęstszy kerolox na dole i niezbyt gęsty hydrolox na górze. Dlatego obydwie rakiety maja stateczniki na dole.

Na stocku paliwo jest jednakowo gęste ale możemy sobie wyobrazić sytuacje gdy na dole mamy paliwo a na gorze coś co zajmuje dużo miejsca ale jest bardzo lekkie. CoL przesuwa się wówczas zbytnio do przodu i potrzebne są stateczniki na dole.

@Sobol - fikołki to raczej kwestia FAR a nie RO. Chociaż fikołek w FAR kończy się na ogół destrukcją rakiety pod wpływem sił aerodynamicznych.

[angorek]

Dzięki Dodam jeszcze drugi również krótki poradnik o wyważaniu lądowników i budowaniu promów kosmicznych ale to raczej pod koniec tygodnia.

[Madrian]

Niestety, ale jest tu trochę niedokładności.
Po pierwsze, zapomniałeś wspomnieć o punkcie wypadkowym sterowania.
To miejsce, gdzie zbiegają się siły wypadkowe wszystkich powierzchni sterowych i nośnych.
A konkretnie - to ta niebieska kropka, którą nazwałeś środkiem parcia. To nie jest środek parcia.
Tak naprawdę, to środkiem parcia jest kropka fioletowa, której nie włączyłeś na screenach.

Mamy zatem 3 miejsca działania sił na rakietę.
Masę - środek ciężkości.
Siły pochodzące ze sterów i powierzchni nośnych - środek sterowania.
Ciąg - miejsce przyłożenia napędu.

Rakieta jest stabilna, jeżeli środek sterowania jest położony pośrodku, między środkiem ciężkości, a środkiem parcia.
Niestabilna, jeżeli kropka niebieska wyjdzie poza kropki żółtą lub fioletową. A trudno sterowalna, jeżeli niebieska kropka znajdzie bliżej jednej z pozostałych kropek. Odpowiednio - ma sklonności do wywrotek, lub nie chce zmieniać kierunku.

Mówiąc obrazowo - Żółta kropka w górze, przycisk górny. Fioletowa kropka w dole - przycisk środkowy. Niebieska kropka pośrodku - przycisk dolny.
nie wspomniałeś, że wszystkie te punkty powinny być ustawione w jednej linii, oraz  osi pojazdu. Bo można zbudować rakietę o niesymetrycznym rozłożeniu masy, czy sterów lub silników. I zmieni to punkty działania sił.

A najważniejsze - to się tyczy TYLKO rakiet podstawowych. Samoloty lub promy kosmiczne, czyli pojazdy mające się poruszać w atmosferze - wyważamy inaczej.

[angorek]

Madrian, nie motaj.

Po pierwsze, zapomniałeś wspomnieć o punkcie wypadkowym sterowania.
To miejsce, gdzie zbiegają się siły wypadkowe wszystkich powierzchni sterowych i nośnych.
A konkretnie - to ta niebieska kropka, którą nazwałeś środkiem parcia. To nie jest środek parcia.

O Rly ?
Aby zobaczyć link - ZAREJESTRUJ SIĘ lub ZALOGUJ SIĘ
Aby zobaczyć link - ZAREJESTRUJ SIĘ lub ZALOGUJ SIĘ
Aby zobaczyć link - ZAREJESTRUJ SIĘ lub ZALOGUJ SIĘ

Rakieta jest stabilna, jeżeli środek sterowania jest położony pośrodku, między środkiem ciężkości, a środkiem parcia.
Niestabilna, jeżeli kropka niebieska wyjdzie poza kropki żółtą lub fioletową. A trudno sterowalna, jeżeli niebieska kropka znajdzie bliżej jednej z pozostałych kropek.

Bzdura. położenie środka ciągu (tak to nazwijmy) nie ma tu żadnego znaczenia. Ba, jeśli punkt przyłożenia ciągu jest umieszczony nad środkiem ciężkości, rakieta jest jeszcze bardziej stabilna. Owszem ma to znaczenie gdy zamontujemy silniki pod kątem, ale to chyba nawet dziecko wie, że jak nie odchyli silników symetrycznie to poleci w bok.
Zależność jest prosta :
- środek parcia (niebieska kulka) nad środkiem ciężkości - rakieta niestabilna.
- środek parcia poniżej środka ciężkości - rakieta stabilna
- środek parcia w środku ciężkości - rakieta neutralnie stabilna.
Im niżej względem środka ciężkości jest środek parcia tym rakietą ciężej sterować (bardziej stabilna) im jest on bliżej środka ciężkości tym łatwiej. Jeśli środek parcia jest w, lub nad środkiem ciężkości rakieta nie poleci bez elektronicznych systemów kontroli SAS bo zrobi fikołka, tyle w temacie.

Nie wspomniałeś, że wszystkie te punkty powinny być ustawione w jednej linii, oraz  osi pojazdu. Bo można zbudować rakietę o niesymetrycznym rozłożeniu masy, czy sterów lub silników. I zmieni to punkty działania sił.

Owszem, o tym miałem mówić w drugiej części poradnika na przykładzie wyważania lądowników, i wahadłowca wzorowanego na STS.(na zasadzie, jak przykleić wahadłowiec do boosterów żeby poleciał prosto, zakładając że sam orbiter jest już dopracowany)
Niestety ze względu na matury i inne takie tam  trochę się to opóźni

A najważniejsze - to się tyczy TYLKO rakiet podstawowych. Samoloty lub promy kosmiczne, czyli pojazdy mające się poruszać w atmosferze - wyważamy inaczej.

A jakie są to rakiety niepodstawowe ?
Samoloty i promy kosmiczne jak sama nazwa wskazuje nie są rakietami. Temat wątku mówi o stabilności RAKIET, więc nie wiem o co Ci chodzi. Poradnik budowy samolotów autorstwa ShookTea jest parę wątków niżej.