Comment les systèmes de contrôle de vol stabilisent les fusées

La construction d'un moteur-fusée efficace n'est qu'une partie du problème. le fusée doit également être stable en vol. Une fusée stable est une fusée qui vole dans une direction lisse et uniforme. Une fusée instable vole le long d'une trajectoire erratique, s'effondrant parfois ou changeant de direction. Les roquettes instables sont dangereuses car il n'est pas possible de prédire où elles iront - elles peuvent même se renverser et se diriger soudainement directement vers la rampe de lancement.

Toute matière a un point à l'intérieur appelé le centre de masse ou «CM», quelle que soit sa taille, sa masse ou sa forme. Le centre de masse est l'endroit exact où toute la masse de cet objet est parfaitement équilibrée.

Vous pouvez facilement trouver le centre de masse d'un objet - comme une règle - en le mettant en équilibre sur votre doigt. Si le matériau utilisé pour fabriquer la règle est d'épaisseur et de densité uniformes, le centre de masse doit être à mi-chemin entre une extrémité du bâton et l'autre. Le CM ne serait plus au milieu si un clou lourd était enfoncé dans l'une de ses extrémités. Le point d'équilibre serait plus proche de la fin avec l'ongle.

CM est important dans le vol de fusée, car une fusée instable dégringole autour de ce point. En fait, tout objet en vol a tendance à s'effondrer. Si vous lancez un bâton, il basculera bout à bout. Lancez une balle et elle tourne en vol. Le fait de tourner ou de culbuter stabilise un objet en vol. Un frisbee ira là où vous le souhaitez uniquement si vous le lancez avec une rotation délibérée. Essayez de lancer un frisbee sans le faire tourner et vous constaterez qu'il vole dans un chemin irrégulier et tombe bien en deçà de sa marque si vous pouvez même le lancer.

La rotation ou le culbutage a lieu autour d'un ou plusieurs des trois axes en vol: roulis, tangage et lacet. Le point d'intersection de ces trois axes est le centre de gravité.

Les axes de tangage et de lacet sont les plus importants dans le vol d'une fusée, car tout mouvement dans l'une ou l'autre de ces deux directions peut entraîner une dérive de la fusée. L'axe de roulis est le moins important car le mouvement le long de cet axe n'affectera pas la trajectoire de vol.

En fait, un mouvement de roulement aidera à stabiliser la fusée de la même manière qu'un ballon de football correctement passé est stabilisé en le faisant rouler ou en spirale en vol. Bien qu'un ballon de football mal passé puisse toujours atteindre son but même s'il tombe plutôt que roule, une fusée ne le fera pas. L'énergie de réaction-action d'une passe de football est complètement dépensée par le lanceur au moment où le ballon quitte sa main. Avec les fusées, la poussée du moteur est toujours produite pendant que la fusée est en vol. Des mouvements instables sur les axes de tangage et de lacet entraîneront la fusée à quitter le cap prévu. Un système de contrôle est nécessaire pour empêcher ou au moins minimiser les mouvements instables.

Un autre centre important qui affecte le vol d'une fusée est son centre de pression ou «CP». Le centre de pression n'existe que lorsque l'air passe devant la fusée en mouvement. Cet air circulant, frottant et poussant contre la surface extérieure de la fusée, peut l'amener à se déplacer autour de l'un de ses trois axes.

Pensez à une girouette, un bâton en forme de flèche monté sur un toit et utilisé pour indiquer la direction du vent. La flèche est attachée à une tige verticale qui sert de point de pivot. La flèche est équilibrée de sorte que le centre de masse se trouve juste au point de pivot. Lorsque le vent souffle, la flèche tourne et la tête de la flèche pointe vers le vent venant. La queue de la flèche pointe dans le sens vent arrière.

UNE girouette la flèche pointe dans le vent parce que la queue de la flèche a une surface beaucoup plus grande que la pointe de la flèche. L'air qui coule confère une plus grande force à la queue qu'à la tête, de sorte que la queue est repoussée. Il y a un point sur la flèche où la surface est la même d'un côté que de l'autre. Cet endroit est appelé le centre de pression. Le centre de pression n'est pas au même endroit que le centre de masse. Si c'était le cas, aucune des extrémités de la flèche ne serait favorisée par le vent. La flèche ne pointe pas. Le centre de pression se situe entre le centre de masse et l'extrémité arrière de la flèche. Cela signifie que l'extrémité arrière a plus de surface que l'extrémité tête.

Le centre de pression d'une fusée doit être situé vers la queue. Le centre de masse doit être situé vers le nez. S'ils sont au même endroit ou très proches les uns des autres, la fusée sera instable en vol. Il essaiera de tourner autour du centre de masse dans les axes de tangage et de lacet, produisant une situation dangereuse.

La stabilité d'une fusée nécessite une certaine forme de système de contrôle. Les systèmes de contrôle des fusées maintiennent une fusée stable en vol et la dirigent. Les petites fusées ne nécessitent généralement qu'un système de contrôle de stabilisation. Les grosses fusées, comme celles qui lancent des satellites en orbite, nécessitent un système qui non seulement stabilise la fusée mais lui permet également de changer de cap pendant le vol.

Les contrôles sur les fusées peuvent être actifs ou passifs. Les commandes passives sont des dispositifs fixes qui maintiennent les fusées stabilisées par leur présence même à l'extérieur de la fusée. Les commandes actives peuvent être déplacées pendant que la fusée est en vol pour stabiliser et diriger l'engin.

Le plus simple de tous les contrôles passifs est un bâton. chinois flèches de feu étaient de simples fusées montées aux extrémités de bâtons qui maintenaient le centre de pression derrière le centre de masse. Les flèches de feu étaient notoirement inexactes malgré cela. L'air devait passer devant la fusée avant que le centre de pression puisse prendre effet. Tandis qu'elle est toujours au sol et immobile, la flèche peut basculer et tirer dans le mauvais sens.

La précision des flèches d'incendie a été considérablement améliorée des années plus tard en les montant dans une goulotte orientée dans la bonne direction. Le creux a guidé la flèche jusqu'à ce qu'elle se déplace assez rapidement pour devenir stable par elle-même.

Une autre amélioration importante de la fusée est survenue lorsque les bâtons ont été remplacés par des grappes d'ailettes légères montées autour de l'extrémité inférieure près de la buse. Les ailerons pourraient être fabriqués à partir de matériaux légers et avoir une forme profilée. Ils ont donné aux fusées une apparence de fléchettes. La grande surface des ailettes maintenait facilement le centre de pression derrière le centre de masse. Certains expérimentateurs ont même plié les extrémités inférieures des ailerons à la manière d'un moulinet pour favoriser une rotation rapide en vol. Avec ces "ailerons tournants", les fusées deviennent beaucoup plus stables, mais cette conception a produit plus de traînée et a limité la portée de la fusée.

Le poids de la fusée est un facteur critique de performance et de portée. Le bâton de flèche de feu d'origine a ajouté trop de poids mort à la fusée et a donc considérablement limité sa portée. Avec le début de la fusée moderne au 20e siècle, de nouvelles façons ont été recherchées pour améliorer la stabilité de la fusée et en même temps réduire le poids global de la fusée. La réponse a été le développement de contrôles actifs.

Les systèmes de contrôle actif comprenaient des aubes, des ailettes mobiles, des canards, des buses à cardan, des fusées à vernier, des fusées à injection de carburant et à contrôle d'attitude.

Les ailerons inclinables et les canards sont assez similaires les uns aux autres en apparence - la seule vraie différence est leur emplacement sur la fusée. Les canards sont montés à l'avant tandis que les ailettes inclinables sont à l'arrière. En vol, les ailerons et les canards s'inclinent comme des gouvernails pour dévier le flux d'air et faire changer de cap la fusée. Les détecteurs de mouvement sur la fusée détectent les changements de direction imprévus et des corrections peuvent être apportées en inclinant légèrement les ailerons et les canards. L'avantage de ces deux appareils est leur taille et leur poids. Ils sont plus petits et plus légers et produisent moins de traînée que les grandes nageoires.

D'autres systèmes de contrôle actifs peuvent éliminer complètement les nageoires et les canards. Les changements de cap peuvent être effectués en vol en inclinant l'angle auquel les gaz d'échappement quittent le moteur de la fusée. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour changer la direction d'échappement. Les aubes sont de petits dispositifs en forme d'ailettes placés à l'intérieur de l'échappement du moteur-fusée. L'inclinaison des aubes fait dévier l'échappement et, par réaction-action, la fusée répond en pointant dans la direction opposée.

Une autre méthode pour changer la direction d'échappement est de cardan la buse. Une buse à cardan est une buse qui peut se balancer pendant que les gaz d'échappement la traversent. En inclinant la buse du moteur dans la bonne direction, la fusée réagit en changeant de cap.

Les fusées Vernier peuvent également être utilisées pour changer de direction. Ce sont de petites fusées montées à l'extérieur du gros moteur. Ils tirent au besoin, produisant le changement de cap souhaité.

Dans l'espace, seule la rotation de la fusée le long de l'axe de roulis ou l'utilisation de commandes actives impliquant l'échappement du moteur peut stabiliser la fusée ou changer de direction. Les ailerons et les canards n'ont rien à travailler sans air. Les films de science-fiction montrant des fusées dans l'espace avec des ailes et des nageoires sont longs sur la fiction et courts sur la science. Les types de contrôles actifs les plus courants utilisés dans l'espace sont les fusées à contrôle d'attitude. De petits groupes de moteurs sont montés tout autour du véhicule. En tirant la bonne combinaison de ces petites fusées, le véhicule peut être tourné dans toutes les directions. Dès qu'ils sont correctement dirigés, les moteurs principaux tirent, envoyant la fusée dans la nouvelle direction.

le Masse d'une fusée est un autre facteur important affectant ses performances. Cela peut faire la différence entre un vol réussi et se vautrer sur la rampe de lancement. Le moteur-fusée doit produire une poussée supérieure à la masse totale du véhicule avant que la fusée puisse quitter le sol. Une fusée avec beaucoup de masse inutile ne sera pas aussi efficace qu'une fusée taillée pour l'essentiel. La masse totale du véhicule doit être répartie selon cette formule générale pour une fusée idéale:

• Quatre-vingt-onze pour cent de la masse totale devraient être des propulseurs.
• Trois pour cent devraient être des réservoirs, des moteurs et des ailerons.
• La charge utile peut représenter 6%. Les charges utiles peuvent être des satellites, des astronautes ou des vaisseaux spatiaux qui se déplaceront vers d'autres planètes ou lunes.

Pour déterminer l'efficacité d'une conception de fusée, les rocketeers parlent en termes de fraction de masse ou «MF». La masse du les propergols de la fusée divisés par la masse totale de la fusée donne la fraction massique: MF = (masse des propergols) / (masse totale)

Idéalement, la fraction massique d'une fusée est de 0,91. On pourrait penser qu'un MF de 1.0 est parfait, mais alors la fusée entière ne serait rien de plus qu'une masse de propulseurs qui s'enflammerait dans une boule de feu. Plus le nombre MF est élevé, moins la fusée peut transporter de charge utile. Plus le nombre MF est petit, moins sa plage devient. Un nombre MF de 0,91 est un bon équilibre entre la capacité de charge utile et la portée.

La navette spatiale a une MF d'environ 0,82. Le MF varie entre les différents orbiteurs de la flotte de la navette spatiale et avec les différents poids de charge utile de chaque mission.

Les fusées suffisamment grandes pour transporter des vaisseaux spatiaux dans l'espace ont de graves problèmes de poids. Beaucoup de propulseur est nécessaire pour qu'ils atteignent l'espace et trouvent les vitesses orbitales appropriées. Par conséquent, les réservoirs, les moteurs et le matériel associé deviennent plus grands. Jusqu'à un certain point, les plus grandes roquettes volent plus loin que les petites roquettes, mais lorsqu'elles deviennent trop grandes, leurs structures les alourdissent trop. La fraction massique est réduite à un nombre impossible.

Une solution à ce problème peut être attribuée au fabricant de feux d'artifice du XVIe siècle Johann Schmidlap. Il a attaché de petites roquettes au sommet de grosses. Lorsque la grosse fusée a été épuisée, le boîtier de la fusée a été abandonné derrière et la fusée restante a tiré. Des altitudes beaucoup plus élevées ont été atteintes. Ces fusées utilisées par Schmidlap étaient appelées fusées à degrés.

Aujourd'hui, cette technique de construction d'une fusée s'appelle la mise en scène. Grâce à la mise en scène, il est devenu possible non seulement d'atteindre l'espace, mais aussi la lune et d'autres planètes. La navette spatiale suit le principe de la fusée à étages en déposant ses propulseurs de fusée solides et son réservoir externe lorsqu'ils sont épuisés de propergols.