कैसे फ्लाइट कंट्रोल सिस्टम रॉकेट को स्थिर करते हैं

एक कुशल रॉकेट इंजन का निर्माण समस्या का केवल एक हिस्सा है। राकेट उड़ान में भी स्थिर होना चाहिए। एक स्थिर रॉकेट वह है जो एक चिकनी, एक समान दिशा में उड़ता है। एक अस्थिर रॉकेट एक अनिश्चित पथ के साथ उड़ता है, कभी-कभी टंबलिंग या बदलती दिशा में। अस्थिर रॉकेट खतरनाक होते हैं क्योंकि यह अनुमान लगाना संभव नहीं है कि वे कहां जाएंगे - वे उल्टा भी हो सकते हैं और अचानक लॉन्च पैड पर सीधे वापस आ सकते हैं।

सभी पदार्थ के अंदर एक बिंदु होता है जिसे द्रव्यमान का केंद्र या "CM" कहा जाता है, चाहे इसका आकार, द्रव्यमान या आकार कुछ भी हो। द्रव्यमान का केंद्र सटीक स्थान है जहां उस वस्तु का सभी द्रव्यमान पूरी तरह से संतुलित है।

आप आसानी से किसी वस्तु के द्रव्यमान के केंद्र को पा सकते हैं - जैसे कि एक शासक - अपनी उंगली पर इसे संतुलित करके। यदि शासक को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री समान मोटाई और घनत्व की है, तो द्रव्यमान का केंद्र छड़ी के एक छोर और दूसरे के बीच आधे बिंदु पर होना चाहिए। सीएम अब बीच में नहीं होता अगर एक भारी नाखून उसके एक छोर में लगा होता। शेष बिंदु नाखून के साथ अंत में निकट होगा।

रॉकेट उड़ान में सीएम महत्वपूर्ण है क्योंकि इस बिंदु के आसपास एक अस्थिर रॉकेट टकराता है। वास्तव में, उड़ान में कोई भी वस्तु टुट जाती है। यदि आप एक छड़ी फेंकते हैं, तो यह अंत में खत्म हो जाएगा। एक गेंद फेंको और यह उड़ान में घूमती है। कताई या टंबलिंग का कार्य उड़ान में एक वस्तु को स्थिर करता है। एक फ्रिसबी वहां जाएगा जहां आप चाहते हैं कि यह केवल तभी जाए जब आप इसे जानबूझकर स्पिन के साथ फेंक दें। बिना कताई के एक फ्रिसबी को फेंकने की कोशिश करें और आप पाएंगे कि यह एक अनिश्चित रास्ते में उड़ता है और इसके निशान से बहुत कम गिरता है यदि आप इसे बिल्कुल भी फेंक सकते हैं।

उड़ान में एक या एक से अधिक तीन अक्षों के आसपास कताई या टंबलिंग होती है: रोल, पिच और यव। बिंदु जहां इन तीनों कुल्हाड़ियों को काटना, द्रव्यमान का केंद्र है।

रॉकेट उड़ान में पिच और यव अक्ष सबसे महत्वपूर्ण होते हैं क्योंकि इन दोनों दिशाओं में किसी भी आंदोलन के कारण रॉकेट बंद हो सकता है। रोल अक्ष कम से कम महत्वपूर्ण है क्योंकि इस अक्ष के साथ आंदोलन उड़ान पथ को प्रभावित नहीं करेगा।

वास्तव में, एक रोलिंग गति रॉकेट को उसी तरह से स्थिर करने में मदद करेगी जिस तरह से एक ठीक से पारित फुटबॉल को फ्लाइट में रोलिंग या सर्पिल करके स्थिर किया जाता है। हालांकि एक खराब पारित फुटबॉल अभी भी अपने निशान के लिए उड़ान भर सकता है, भले ही यह रोल के बजाय टकराता है, एक रॉकेट नहीं होगा। एक फुटबॉल पास की क्रिया-प्रतिक्रिया ऊर्जा पूरी तरह से फेंकने वाले द्वारा फेंकी जाती है, जिस पल गेंद उसके हाथ से निकल जाती है। रॉकेट के साथ, इंजन से जोर अभी भी उत्पन्न होता है जबकि रॉकेट उड़ान में है। पिच और जबड़े की कुल्हाड़ियों के बारे में अस्थिर गति के कारण रॉकेट नियोजित पाठ्यक्रम को छोड़ देगा। अस्थिर गति को रोकने या कम से कम करने के लिए एक नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है।

एक अन्य महत्वपूर्ण केंद्र जो रॉकेट की उड़ान को प्रभावित करता है, वह उसके दबाव का केंद्र या "CP" है। दबाव का केंद्र केवल तब मौजूद होता है जब हवा चलती रॉकेट के पीछे बह रही हो। यह बहने वाली हवा, रॉकेट की बाहरी सतह के खिलाफ रगड़ और धक्का देती है, जिससे यह अपने तीन अक्षों में से एक के चारों ओर घूमना शुरू कर सकता है।

एक मौसम फलक के बारे में सोचो, एक तीर जैसी छड़ी छत पर चढ़कर हवा की दिशा बताने के लिए उपयोग की जाती है। तीर एक ऊर्ध्वाधर रॉड से जुड़ा होता है जो एक धुरी बिंदु के रूप में कार्य करता है। तीर संतुलित है, इसलिए द्रव्यमान का केंद्र धुरी बिंदु पर सही है। जब हवा चलती है, तो तीर मुड़ता है और तीर का सिर आने वाली हवा में इंगित करता है। तीर की पूंछ नीचे की दिशा में इंगित करती है।

ए वात दिग्दर्शक तीर हवा में इंगित करता है क्योंकि तीर की पूंछ में तीर की सतह की तुलना में बहुत बड़ा सतह क्षेत्र है। बहने वाली हवा सिर की तुलना में पूंछ को अधिक बल प्रदान करती है इसलिए पूंछ को दूर धकेल दिया जाता है। तीर पर एक बिंदु है जहां सतह क्षेत्र एक तरफ दूसरे के समान है। इस स्थान को दबाव का केंद्र कहा जाता है। दबाव का केंद्र द्रव्यमान के केंद्र के समान स्थान पर नहीं है। यदि ऐसा होता, तो न तो तीर का अंत हवा का पक्ष लिया जाता। तीर इशारा नहीं करेगा। दबाव का केंद्र द्रव्यमान के केंद्र और तीर के पूंछ अंत के बीच है। इसका मतलब है कि पूंछ के अंत में सिर के छोर की तुलना में अधिक सतह क्षेत्र है।

एक रॉकेट में दबाव का केंद्र पूंछ की ओर स्थित होना चाहिए। द्रव्यमान का केंद्र नाक की ओर स्थित होना चाहिए। यदि वे एक ही स्थान पर या एक दूसरे के बहुत निकट हैं, तो रॉकेट उड़ान में अस्थिर होगा। यह एक खतरनाक स्थिति का निर्माण करते हुए, पिच और यव अक्षों में द्रव्यमान के केंद्र के बारे में घूमने की कोशिश करेगा।

रॉकेट को स्थिर बनाने के लिए नियंत्रण प्रणाली के कुछ रूप की आवश्यकता होती है। रॉकेट के लिए नियंत्रण प्रणाली एक रॉकेट को उड़ान में स्थिर रखती है और उसे चलाने देती है। छोटे रॉकेटों को आमतौर पर केवल एक स्थिर नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है। बड़े रॉकेट, जैसे कि जो उपग्रहों को कक्षा में लॉन्च करते हैं, उन्हें एक ऐसी प्रणाली की आवश्यकता होती है जो न केवल रॉकेट को स्थिर करे बल्कि उड़ान के दौरान इसे बदलने में सक्षम बनाए।

रॉकेट पर नियंत्रण या तो सक्रिय या निष्क्रिय हो सकता है। निष्क्रिय नियंत्रण स्थिर उपकरण हैं जो रॉकेट के बाहरी हिस्से पर अपनी उपस्थिति से रॉकेट को स्थिर रखते हैं। सक्रिय नियंत्रण को स्थानांतरित किया जा सकता है, जबकि रॉकेट को स्थिर करने और शिल्प को चलाने के लिए उड़ान में है।

सभी निष्क्रिय नियंत्रणों में सबसे सरल एक छड़ी है। चीनी अग्नि बाण स्टिक के सिरों पर रखे गए सरल रॉकेट थे जो द्रव्यमान के केंद्र के पीछे दबाव के केंद्र को बनाए रखते थे। इसके बावजूद अग्नि बाण कुख्यात थे। दबाव के केंद्र के प्रभावी होने से पहले रॉकेट के पिछले हिस्से से हवा बहती थी। जमीन और इम्मोबिल पर रहते हुए भी, तीर गलत तरीके से चल सकता है और आग लगा सकता है।

उचित दिशा में लक्ष्यित गर्त में बढ़ते हुए अग्नि बाण की सटीकता में काफी वर्षों बाद सुधार हुआ था। गर्त ने तीर को निर्देशित किया जब तक कि यह काफी तेजी से आगे नहीं बढ़ रहा था, अपने आप ही स्थिर हो गया।

रॉकेटरी में एक और महत्वपूर्ण सुधार तब आया जब नोजल के पास निचले सिरे के चारों ओर लगे हल्के पंखों के गुच्छों की जगह लाठी ने ले ली। पंखों को हल्के पदार्थों से बाहर किया जा सकता है और आकार में सुव्यवस्थित किया जा सकता है। उन्होंने रॉकेट को डार्ट जैसी शक्ल दी। पंख के बड़े सतह क्षेत्र ने द्रव्यमान के केंद्र के पीछे आसानी से दबाव का केंद्र रखा। कुछ प्रयोगकर्ताओं ने उड़ान में तेजी से घूमने के लिए एक पिनव्हील फैशन में पंखों के निचले सुझावों को भी झुका दिया। इन "स्पिन फिन्स" के साथ, रॉकेट बहुत अधिक स्थिर हो जाते हैं, लेकिन इस डिजाइन ने अधिक ड्रैग का उत्पादन किया और रॉकेट की सीमा को सीमित कर दिया।

रॉकेट का वजन प्रदर्शन और सीमा का एक महत्वपूर्ण कारक है। मूल अग्नि तीर छड़ी ने रॉकेट में बहुत अधिक मृत वजन जोड़ा और इसलिए इसकी सीमा काफी सीमित हो गई। 20 वीं शताब्दी में आधुनिक रॉकेट की शुरुआत के साथ, रॉकेट स्थिरता में सुधार करने के लिए नए तरीकों की मांग की गई और साथ ही साथ समग्र रॉकेट वजन को कम किया। उत्तर सक्रिय नियंत्रणों का विकास था।

सक्रिय नियंत्रण प्रणालियों में वैन, जंगम पंख, कैनार्ड, गिंबल नोजल, वर्नियर रॉकेट, ईंधन इंजेक्शन और रवैया-नियंत्रण रॉकेट शामिल थे।

झुकने वाले पंख और कैनड्स दिखने में एक-दूसरे से काफी मिलते-जुलते हैं - एकमात्र वास्तविक अंतर रॉकेट पर उनका स्थान है। पीछे की तरफ झुका हुआ है, जबकि आगे के छोर पर कैनार्ड लगाए गए हैं। उड़ान में, पंख और कैनार्ड हवा के प्रवाह को विक्षेपित करने के लिए पतवारों की तरह झुकते हैं और रॉकेट को बदलने का कारण बनते हैं। रॉकेट पर मोशन सेंसर अनियोजित दिशात्मक परिवर्तनों का पता लगाते हैं, और फिन और कैन को थोड़ा झुकाकर सुधार किया जा सकता है। इन दो उपकरणों का लाभ उनका आकार और वजन है। वे छोटे और हल्के होते हैं और बड़े पंखों की तुलना में कम खींचते हैं।

अन्य सक्रिय नियंत्रण प्रणाली पूरी तरह से फिन और कैनार्ड को खत्म कर सकती हैं। पाठ्यक्रम में परिवर्तन उस कोण को झुकाकर उड़ान में किया जा सकता है जिस पर निकास गैस रॉकेट के इंजन को छोड़ देती है। निकास की दिशा बदलने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है। वानर छोटे छोटे उपकरण होते हैं जिन्हें रॉकेट इंजन के निकास के अंदर रखा जाता है। वैन को झुकाने से निकास समाप्त हो जाता है, और क्रिया-प्रतिक्रिया द्वारा रॉकेट विपरीत तरीके से संकेत देकर प्रतिक्रिया करता है।

निकास की दिशा बदलने के लिए एक और तरीका है नोजल को चिकना करना। एक gimbaled नोक वह है जो निकास गैसों के माध्यम से गुजरने में सक्षम है। इंजन नोजल को उचित दिशा में झुकाकर, रॉकेट पाठ्यक्रम को बदलकर प्रतिक्रिया करता है।

दिशा बदलने के लिए वर्नियर रॉकेट का भी उपयोग किया जा सकता है। ये बड़े इंजन के बाहर लगे छोटे रॉकेट हैं। वांछित कोर्स परिवर्तन का उत्पादन करते समय, वे आग लगाते हैं।

अंतरिक्ष में, केवल रोल अक्ष के साथ रॉकेट को स्पिन करना या इंजन निकास को शामिल करने वाले सक्रिय नियंत्रणों का उपयोग करके रॉकेट को स्थिर किया जा सकता है या अपनी दिशा बदल सकता है। बिना हवा के काम करने के लिए कुछ भी नहीं है। पंख और पंखों के साथ अंतरिक्ष में रॉकेट दिखाने वाली साइंस फिक्शन फिल्में फिक्शन पर लंबी होती हैं और विज्ञान पर कम। अंतरिक्ष में उपयोग किए जाने वाले सक्रिय नियंत्रणों का सबसे सामान्य प्रकार रवैया-नियंत्रण रॉकेट हैं। वाहन के चारों ओर इंजनों के छोटे समूह लगे होते हैं। इन छोटे रॉकेटों के सही संयोजन को फायर करके, वाहन को किसी भी दिशा में मोड़ा जा सकता है। जैसे ही उन्हें ठीक से निशाना बनाया जाता है, मुख्य इंजन में आग लग जाती है, जिससे रॉकेट नई दिशा में रवाना हो जाता है।

द्रव्यमान रॉकेट के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाला एक अन्य महत्वपूर्ण कारक है। यह लॉन्च पैड पर एक सफल उड़ान और चारदीवारी के बीच अंतर कर सकता है। रॉकेट इंजन को एक जोर का उत्पादन करना चाहिए जो रॉकेट को जमीन छोड़ने से पहले वाहन के कुल द्रव्यमान से अधिक हो। बहुत सारे अनावश्यक द्रव्यमान वाला एक रॉकेट उतना कुशल नहीं होगा जितना कि केवल नंगे आवश्यक को छंटनी की जाती है। वाहन का कुल द्रव्यमान एक सामान्य रॉकेट के लिए इस सामान्य सूत्र के बाद वितरित किया जाना चाहिए:

• कुल द्रव्यमान का निन्यानबे प्रतिशत प्रणोदक होना चाहिए।
• तीन प्रतिशत टैंक, इंजन और पंख होना चाहिए।
• पेलोड 6 प्रतिशत के लिए जिम्मेदार हो सकता है। पेलोड उपग्रह, अंतरिक्ष यात्री या अंतरिक्ष यान हो सकते हैं जो अन्य ग्रहों या चंद्रमाओं की यात्रा करेंगे।

एक रॉकेट डिजाइन की प्रभावशीलता को निर्धारित करने में, रॉकटेकर बड़े पैमाने पर अंश या "एमएफ" के संदर्भ में बोलते हैं। का द्रव्यमान रॉकेट के प्रणोदक को रॉकेट के कुल द्रव्यमान से विभाजित किया जाता है जो बड़े पैमाने पर अंश देता है: MF = (प्रोपेलेंट का द्रव्यमान) / (कुल द्रव्यमान)

आदर्श रूप से, एक रॉकेट का द्रव्यमान अंश 0.91 है। कोई सोच सकता है कि 1.0 का एमएफ एकदम सही है, लेकिन तब पूरा रॉकेट प्रोपेलेंट की एक गांठ से ज्यादा कुछ नहीं होगा जो आग के गोले में आग लगा देगा। एमएफ संख्या जितनी बड़ी होगी, रॉकेट उतना ही कम पेलोड ले जाएगा। एमएफ संख्या जितनी छोटी होगी, उसकी रेंज उतनी ही कम होगी। 0.91 की एक एमएफ संख्या पेलोड-वहन क्षमता और सीमा के बीच एक अच्छा संतुलन है।

स्पेस शटल में लगभग 0.82 का एमएफ है। एमएफ स्पेस शटल के बेड़े में अलग-अलग ऑर्बिटर्स के बीच और प्रत्येक मिशन के अलग-अलग पेलोड वेट के साथ बदलता रहता है।

अंतरिक्ष में अंतरिक्ष यान ले जाने के लिए पर्याप्त बड़े रॉकेटों में वजन की गंभीर समस्याएं होती हैं। उन्हें अंतरिक्ष तक पहुंचने और उचित कक्षीय वेगों को खोजने के लिए प्रणोदक की एक बड़ी आवश्यकता है। इसलिए, टैंक, इंजन और संबंधित हार्डवेयर बड़े हो जाते हैं। एक बिंदु तक, बड़े रॉकेट छोटे रॉकेटों की तुलना में अधिक दूर तक उड़ते हैं, लेकिन जब वे बहुत बड़े हो जाते हैं, तो उनकी संरचनाएं उन्हें बहुत कम वजन देती हैं। द्रव्यमान अंश एक असंभव संख्या तक कम हो जाता है।

इस समस्या के समाधान का श्रेय 16 वीं शताब्दी के आतिशबाजी निर्माता जोहान श्मिटलाप को दिया जा सकता है। उसने छोटे रॉकेटों को बड़े लोगों के शीर्ष से जोड़ा। जब बड़े रॉकेट को समाप्त किया गया, तो रॉकेट आवरण को पीछे छोड़ दिया गया और शेष रॉकेट को निकाल दिया गया। बहुत अधिक ऊंचाई हासिल की गई। श्मिटलैप द्वारा उपयोग किए जाने वाले इन रॉकेटों को स्टेप रॉकेट्स कहा जाता था।

आज, रॉकेट बनाने की इस तकनीक को स्टेजिंग कहा जाता है। मंचन के लिए धन्यवाद, न केवल बाहरी स्थान पर पहुंचना संभव हो गया है, बल्कि चंद्रमा और अन्य ग्रह भी। अंतरिक्ष शटल अपने ठोस रॉकेट बूस्टर और बाहरी टैंक को गिराकर कदम रॉकेट सिद्धांत का पालन करता है, जब वे प्रणोदक से थक जाते हैं।