Sistemas de control de vuelo y estabilidad de cohetes

Construir un motor de cohete eficiente es solo una parte del problema. El 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.

¿Qué hace que un cohete sea estable o inestable??

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 punto 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.. 

Roll, Pitch y Yaw

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. Movimientos inestables sobre el lanzamiento y las ejes de guiñada harán que el cohete abandone el rumbo planeado. Se necesita un sistema de control para prevenir o al menos minimizar los movimientos inestables.

El centro de presion

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 usado 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 flecha de veleta apunta al viento porque la cola de la flecha tiene una 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 está 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 sobre el centro de masa en el campo y los ejes de guiñada, produciendo una situación peligrosa..

Sistemas de control

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..

Controles pasivos

El más simple de todos los controles pasivos es un palo. Las flechas de fuego chinas eran simples cohetes 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 fluir más allá del cohete antes de que el centro de presión pudiera tener efecto. Mientras todavía está en el suelo e inmóvil, la flecha puede tambalearse y dispararse de manera incorrecta.