Hvordan holder en raket balancen?

Jens Ove Nielsen undrer sig over, hvordan man forhindrer en raket i at vælte:

"Hvordan holder en raket balancen? Når man ser en rumraket blive fyret af fra affyringsrampen, virker det som et meget højt tårn, der skal balancere på trykket fra forbrændingen i bunden. Hvordan styrer man raketten, så den ikke vælter?"

Poul-Erik Karlshøj, civilingeniør, satellitekspert og fagmedarbejder ved Ingeniøren, svarer:

"Det er rigtigt, at trykkraftens angrebspunkt i moderne raketter er under rakettens tyngdepunkt og at raketten derfor skal styres for ikke at vælte. Desuden skal raketten ret tidligt under opsendelsen også styres i en ganske bestemt (ikke lodret) retning, for at opnå en given bane. Som kuriosum kan nævnes, at Robert Goddard - den amerikanske raketpioner - i 1926 løste styringsproblemet ved at placere raketmotoren på et stativ oven over brændstoftankene, altså over tyngdepunktet. Men det princip er ikke siden anvendt.

Rakettens retningsstabilitet styres aktivt med et såkaldt 'vector control system' eller 'reaction control system', som principielt er et servosystem, der styrer raketten ved at dreje raketmotorernes dyser. Rakettens orientering (retning) måles i forhold til et inertialsystem baseret på gyroskoper, som kan være mekaniske eller laserbaserede. Selve påvirkningen af rakettens orientering sker ved at ændre retningen af raketdyserne og dermed trykkraftens retning.

På de moderne raketter med kraftige faststof-boostere, hvor selve opstigningen fra rampen overvejende sker med kraft fra de voldsomme faststofraketter, kan man dreje både faststofraketternes og hovedmotorernes dyser med elektriske eller hydrauliske aktuatorer. I den fase af en opsendelse, hvor der udelukkende anvendes flydende brændstof, er der et specifikt teknisk styringsproblem at tage hensyn til, idet det flydende brændstof (fx. flydende brint og ilt) kan skvulpe i tankene. Det problem genkender man, hvis man har prøvet at bære en godt fyldt, tung balje med vand.

Senere i opsendelsesforløbet kan styringen ske med mindre, dedikerede styreraketter, hvis opgave blot er at give raketten er ønsket orientering i rummet inden man starter de større motorer, der skal øge rakettens hastighed, så den ønskede bane kan nås."

Spørg Scientariet er i dag redigeret af Julie M. Callesen, jmc@ing.dk.

Emner Raketter

Spørg Scientariet

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til Scientariet.

Kommentarer (20)

Pas nu på. Poul-Erik skriver:

Det er rigtigt, at trykkraftens angrebspunkt i moderne raketter er under rakettens tyngdepunkt og at raketten derfor skal styres for ikke at vælte.

Alle raketter skal styres for ikke at vælte, uanset hvordan "trykkraftens angrebspunkt" er anbragt i forhold til rakettens tyngdepunkt. Placeringen af dysen er underordnet. Goddard troede oprindeligt, at det ville give øget stabilitet at placere dysen over tyngdepunktet (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/comm...), men fandt ud af, at det ikke spillede nogen rolle. Derfor har alle raketter i dag dysen nederst, da det er langt det nemmeste.

Laust skriver:

Det har også meget at gøre med hvordan trykpunktet ligger iforhold til tyngdepunktet.

Vær opmærksom på, at på ovenstående link betegner ordet "trykpunkt" luftens angrebspunkt, og ikke raketmotorens.

Det, Poul-Erik beskriver, er aktiv styring, som bruges på alle moderne rumraketter. Nytårsraketter, mange mindre, militære raketter, "sounding rockets" og modelraketter anvender passiv styring. Det gøres ved at placere f.eks. finner (for nytårsrakettens vedkommende en lang pind) bagerst på raketten, således at luftstrømmen henover raketten, hvis raketten skulle komme ud af kurs, presser raketten tilbage i den "rigtige" retning. I forbindelse med passiv styring siger en tommelfingerregel, at luftens angrebspunkt skal ligge ca. en raketkropsdiameter bag rakettens tyngdepunkt.

  • 0
  • 0

Artiklen nævner at raketten er styret på en særlig måde når væsken skvulper inde i tanken. Hvordan i alverden kan man nogensinde gøre det? Det burde være komplet umuligt at lave en model som man kan bruge til noget da et system med væske der skvulper er meget kaotisk. Det kan lave meget pludselige bevægelser som, så vidt jeg kan se, ikke er til at forudsige. Jeg kunne forestille mig at man brugte en masse skotter inde i tanken så der ikke kan dannes bølger der skvulper fra den ene side af tanken til den anden, men det må stadigvæk være utroligt svært og kræve nogle kæmpe sikkerhedsmarginer.

Jeg håber der er nogen der ved det og ikke bare har en mening om hvordan :D

  • 0
  • 0

Man behøver jo heller ikke forudsige, 'kun' reagere på!

Ja hvis ens aktuatorer er meget hurtige og effektive. I praksis kan man nøjes med mindre og få en mere stabil bane, hvis man kan forudsige hvad raketten gør lidt ude i fremtiden. Lidt ligesom PID kontrollen på en temperaturstyring.

  • 0
  • 0

Man plejer jo at lave en model over systemet og så lave en tilsvarende regulering. Dette er nødvendigt for at vide om ens regulering vil forblive stabil. F.eks. kunne man lave en model af klassikeren "det omvendet pendul" som svarer til at at balancere en pind på en finger (og også i høj grad en raket, dog uden finger :D ). Så ser man hvordan systemet opfører sig og laver en PID (eller en anden) regulering med de rigtige koefficienter og derefter simulerer man systemet og ser om det er stabilt.

I tilfældet med raketten med skvulpende væske kan man køre en simulering med en eller anden regulering som virker hver gang man simulerer den. Man kan dog ikke garantere noget som helst, som jeg ser det i det mindste, da det ikke er nemt at lave en worst case scenario.

Med pinden på fingeren er det til gengæld meget nemt. Man vil have mulig for at stille nogen garantier. F.eks. Hvis pindens startposition er over den og den vinkel vil systemet være stabilt. Det kan man ikke med den anden.

Så spørgsmålet er måske mere: "Hvordan kan man stille garantier for stabiliteten af sådan et system?".

  • 0
  • 0

Jeg opfatter Jens Ove Nielsens spørgsmål som hvorfor raketten ikke vælter, når rampens støtte ikke er der mere, og hastigheden stadig er nul eller ubetydelig?

Svaret på dét spørgsmål er at den accelererende masse som forlader rakettens dyser, stabiliserer raketten, nogenlunde på samme måde som et roterende cykelhjul gør at en cykel ikke vælter!

  • 0
  • 0

Aktiv styring kan foregå med drejbare dyser, men også som Von Braun gjorde det med sine raketvåben i anden verdenskrig med grafit-finner der stikker ind i udstødningen.

Skvulpen i brændstoffet er et stort problem, og kaldes "pogo" efter hoppelegetøjet "pogo-stick".

Problemet er at det er selvforstærkende: Når brændstoffet skvulper bagud kommer der mere brændstof til dyserne som giver kraftigere acceleration, hvilket presser brændstoffet forud så dyserne får mindre at brænde, hvorfor accelerationen falder og cyklus starter forfra.

I værste fald medfører "pogo" til sidst "flame-out" der efter endnu en halv-cyklus efterfølges af en eksplosion når uforbrændt brændstof rammer den agterudsejlede flammefront.

Det er en af grundene til at alle ICBM'er skiftede til fast-brændstof så hurtigt det var praktisk muligt: de var nemmere at få til at virke konsistent, selvom de har højere fejlrate (1%).

De første USAnske astronauter blev sendt op på toppen af ombyggede Redstone missiler og de blev alvorligt utilpasse på grund af "pogo".

Dæmpningmateriale i de langsgående brændstofrør løste i noget omfang problemet, men alle raketter med flydende brændstof lider af problemet i et eller andet omfang.

På rumfærgens hovedmotorer forsøger computeren at regulere turbopumperne så der ikke opstår selvsving.

Den kommende USAnske løfteraket for efterfølgeren til rumfærgen har, ifølge både afprøvninger og computersimuleringer, meget alvorlige pogo problemer.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Det er nok rigtigt, at det princip Goddard anvendte med at anbringe raketmotoren forrest i raketten, ikke duer ved flyvning i vacuum. Men ved flyvning gennem atmosfæren vil jeg dog tro, at det nok har en vis virkning. Det er imidlertid problematisk at realisere.

Det er også rigtigt, at dæmpning af skvulpende brændstof sker ved hjælp af passive mekanismer i tankene. Det er kompliceret at beskrive, hvor brændstoffet faktisk befinder sig og nye designs har ofte indkøringsproblemer. Det havde enten Delta 4 eller Atlas 5, så vidt jeg husker.

En af de klassiske fejl-tilstande, som især satellitkonstruktører var meget bekymrede for, for mange år siden, var risikoen for at en satellit, som under opsendelsen var spin-stabiliseret, skulle begynde at dreje sig om en forkert akse og gå i "flat spin". Skete det, var satellitten dødsdømt, fordi brændstoftilførslen ville blive afbrudt og man ville ikke kunne bringe satellitten ud af "flat spin". I den forbindelse mener jeg, at skvulpende brændstof var en risikofaktor.

Det problem har faststofraketterne ikke. Men de bliver især brugt til ICBMs, fordi de hurtigst kan gøres startklare og fordi de kræver mindre præventiv vedligeholdelse.

  • 0
  • 0

Der er (januar 2008) rapporteret potentielt farlige problemer med Ares 1, efterfølgeren til Rumfærgen, på grund af vibrationer fra hvirvler i gasserne inde i det brændende første-trin. Første trin er en faststofraket (5 segmenter - afledt af rumfærgens faststofraketter, der har 4 segmenter).

Der er også (november 2007) rapporteret pogo problemer i andet trin, som bruger flydende brændstof. Men ifølge NasaSpaceFlight.com er de vist ikke så alvorlige. http://www.nasaspaceflight.com/content/?ci...

  • 0
  • 0

Det er nok rigtigt, at det princip Goddard anvendte med at anbringe raketmotoren forrest i raketten, ikke duer ved flyvning i vacuum. Men ved flyvning gennem atmosfæren vil jeg dog tro, at det nok har en vis virkning. Det er imidlertid problematisk at realisere.

Interessant debat.

Det kan lige nævnes at en RPG-7 granat har sine fremdriftsdyser placeret ca. midt på raketten, og den har vist at være stor succes (eller er succesen skabt af våbnets pålidelighed og blilighed)

http://science.howstuffworks.com/rpg3.htm

  • 0
  • 0

Til Jørgen Jakobsen:

Allerførst: Tak for den henvisning! Det link er det bedste link jeg har set i meget lang tid.
Jeg har købt to måneder, og kan melde følgende tilbage om materialet:

Det er IKKE et NASA website. Det er uafhængigt,
men har mange anonyme kilder 'inden for murene'.

Vil du gerne se en video af en rumfærgelanding?
Optaget i STS-115 cockpittet, fra de afbryder LEO
(Low Earth Orbit) til WS (Wheel Stop), med kommunikation mellem Shuttle og Houston på?

Vil du gerne vide mere om den kontrakt NASA har lavet med SpaceX og Orbital om levering af fragt af
varer (payload) fra Jorden til ISS, efter rumfærgerne (efter nuværende plan) bliver pensioneret i 2010?

Vil du gerne vide mere om Burt Rutans arbejde med
WK2 (White Knight 2) flyet, der skal hjælpe med at sende SS2 (SpaceShip 2) op i 'rummet' med turister ombord, Virgin Galactic style?

Vil du gerne se et billede af den lille stakkels fugl der forvildede sig ind i rumfærgens lastrum mens lastrummet blev 'monteret'/lastet, og som blev 'eskorteret ud' med følelse?

Kunne du tænke dig et windows skrivebordsbillede der viser to rumfærger, på rampe 39A og 39B, overfløjet af to træningsjetfly type 38? Hellere overfløjet af en F-18 Raptor måske?

Måske den video der er lavet til ære for Columbias besætning på flyvning STS-107, med musik af Evanescense vil interessere?

Alt det og mere til, finder du på L2.

Du kan købe to måneders adgang for lidt over en hund. Hvis du er bare en lille smule interesseret i rumfart har du ingen grund til at tøve eller tvivle.

Køb to måneder. Det koster mindre end ti liter mælk.
Jeg vil postulere at du har fået fuld valuta for pengene inden du har kigget på materialet i to timer (Kan du stoppe inden to timer sender jeg en flaske rødvin (sjælden space-relateret spansk) og en undskyldning til din familie).

NSF kræver at man ikke offentliggør deres materiale uden at have fået tilladelse først (der gives vist ikke tilladelse, som regel). For your eyes only.

Det er MERE end pengene værd!

/Bo.

  • 0
  • 0

Som jeg husker det, fra diverse bøger, skyldes POGO at brændstoffet begynder at pulserer frem og tilbage, mellem tanken og motoren, ikke i tanken. Derved stiger og falder trykket ved pumperne og motorenes ydelse varierer. Jeg mener at husker, at NASA løste problemmet på F1 ved at indsprøjter helium i brændstoffet som en slags støddæmper.
/Jens

  • 0
  • 0

Wernher von Braun har forklaret dysestyringen i hans A4 raketter, dyserne styrer raketten inden den kommer rigtigt i fart. Hans raket var det første menneskeskabte objekt i rummet.

  • 0
  • 0

Skvulpen i brændstoffet er et stort problem, og kaldes "pogo" efter hoppelegetøjet "pogo-stick". Problemet er at det er selvforstærkende: Når brændstoffet skvulper bagud kommer der mere brændstof til dyserne som giver kraftigere acceleration, hvilket presser brændstoffet forud så dyserne får mindre at brænde, hvorfor accelerationen falder og cyklus starter forfra.

Pogo kan også forekomme i bil, hvis man ikke sidder tilbagelænet, men f.ex. læner sig frem for at få bedre udsyn.
Man træder på speederen og bliver presset tilbage af accellerationen. Derved fjernes trykket på speederen, og decellerationen presser føreren frem, og der trykkes derved på speederen, og føreren presses tilbage igen.

Nogle gange ender det med at bilen går helt i stå. Ses oftere med uerfarne billister :-)

  • 0
  • 0

Mr. Bean har løst dette problem med en træstok mellem speederen og sædet og han har desuden andre gode opfindelser i skuffen. :-)

  • 0
  • 0

Et sted skriver forfatteren Arthur C. Clarke at tyskerne med deres V2 blandt andet anvende Gyroskoper for stabilisere noget. Måske svaret til spørgeren ligger her. Som sagt havde jeg ingen kendskab til gå dybere ind i dette problem.

  • 0
  • 0