Stabilità dei missili e sistemi di controllo del volo

Costruire un efficiente motore a razzo è solo una parte del problema. Il razzo deve anche essere stabile in volo. Un razzo stabile è quello che vola in una direzione regolare e uniforme. Un razzo instabile vola lungo un percorso irregolare, a volte cadendo o cambiando direzione. I razzi instabili sono pericolosi perché non è possibile prevedere dove andranno - potrebbero persino capovolgersi e improvvisamente tornare direttamente alla piattaforma di lancio.

Cosa rende un missile stabile o instabile?

Tutta la materia ha un punto interno chiamato centro di massa o "CM", indipendentemente dalla sua dimensione, massa o forma. Il centro di massa è il punto esatto in cui tutta la massa di quell'oggetto è perfettamente bilanciata.

Puoi facilmente trovare il centro di massa di un oggetto - come un righello - bilanciandolo sul dito. Se il materiale utilizzato per realizzare il righello è di spessore e densità uniformi, il centro di massa dovrebbe trovarsi a metà strada tra un'estremità dell'asta e l'altra. Il CM non sarebbe più nel mezzo se un chiodo pesante fosse spinto in una delle sue estremità. Il punto di equilibrio sarebbe più vicino alla fine con l'unghia.

Il CM è importante nel volo di un razzo perché un razzo instabile precipita attorno a questo punto. In effetti, qualsiasi oggetto in volo tende a cadere. Se lanci un bastoncino, cadrà da capo a capo. Lancia una palla e gira in volo. L'atto di girare o ruzzolare stabilizza un oggetto in volo. Un Frisbee andrà dove vuoi che vada solo se lo lanci con una rotazione deliberata. Prova a lanciare un Frisbee senza girarlo e scoprirai che vola in un percorso irregolare e non raggiunge il segno se riesci a lanciarlo. 

Roll, Pitch and Yaw

La rotazione o il ribaltamento avviene attorno a uno o più di tre assi in volo: rollio, beccheggio e imbardata. Il punto in cui tutti e tre questi assi si intersecano è il centro di massa.

Gli assi di beccheggio e imbardata sono i più importanti nel volo di un razzo perché qualsiasi movimento in una di queste due direzioni può far decollare il razzo. L'asse di rollio è il meno importante perché il movimento lungo questo asse non influirà sul percorso di volo.

In effetti, un movimento rotatorio aiuterà a stabilizzare il razzo nello stesso modo in cui un pallone correttamente passato viene stabilizzato facendolo rotolare o farlo girare a spirale in volo. Anche se un calcio passato male può ancora volare al suo segno anche se cade e non rotola, un razzo non lo farà. L'energia di reazione all'azione di un passaggio di calcio viene completamente consumata dal lanciatore nel momento in cui la palla lascia la sua mano. Con i razzi, la spinta dal motore viene ancora prodotta mentre il razzo è in volo. Movimenti instabili intorno al beccheggio e agli assi di imbardata faranno sì che il razzo lasci la rotta prevista. È necessario un sistema di controllo per prevenire o almeno minimizzare i movimenti instabili.

Il centro di pressione

Un altro centro importante che influenza il volo di un razzo è il suo centro di pressione o "CP". Il centro di pressione esiste solo quando l'aria scorre attraverso il razzo in movimento. Questa aria che scorre, strofinando e spingendo contro la superficie esterna del razzo, può far sì che inizi a muoversi attorno a uno dei suoi tre assi.

Pensa a una banderuola, un bastone simile a una freccia montato su un tetto e usato per dire la direzione del vento. La freccia è fissata a un'asta verticale che funge da perno. La freccia è bilanciata, quindi il centro di massa si trova proprio nel punto di articolazione. Quando il vento soffia, la freccia gira e la testa della freccia punta verso il vento che viene. La coda della freccia punta nella direzione sottovento.

Una freccia della banderuola punta verso il vento perché la coda della freccia ha una superficie molto più ampia della punta della freccia. L'aria che fluisce impartisce una forza maggiore alla coda rispetto alla testa, quindi la coda viene allontanata. C'è un punto sulla freccia in cui la superficie è la stessa su un lato dell'altro. Questo punto è chiamato il centro di pressione. Il centro di pressione non si trova nello stesso posto del centro di massa. Se lo fosse, allora nessuna delle due estremità della freccia sarebbe favorita dal vento. La freccia non puntava. Il centro di pressione si trova tra il centro di massa e l'estremità della coda della freccia. Ciò significa che l'estremità della coda ha una superficie maggiore dell'estremità della testa.

Il centro di pressione in un razzo deve essere posizionato verso la coda. Il centro di massa deve essere posizionato verso il naso. Se si trovano nello stesso posto o molto vicini l'uno all'altro, il razzo sarà instabile in volo. Tenterà di ruotare attorno al centro di massa nell'asse di beccheggio e imbardata, producendo una situazione pericolosa.

Sistemi di controllo

Rendere stabile un razzo richiede una qualche forma di sistema di controllo. I sistemi di controllo dei razzi mantengono stabile un razzo in volo e lo guidano. I piccoli razzi di solito richiedono solo un sistema di controllo stabilizzatore. I razzi di grandi dimensioni, come quelli che lanciano in orbita i satelliti, richiedono un sistema che non solo stabilizza il razzo ma gli permetta anche di cambiare rotta durante il volo.

I controlli sui razzi possono essere attivi o passivi. I controlli passivi sono dispositivi fissi che mantengono i razzi stabilizzati dalla loro stessa presenza all'esterno del razzo. I controlli attivi possono essere spostati mentre il razzo è in volo per stabilizzare e guidare l'imbarcazione.

Controlli passivi

Il più semplice di tutti i controlli passivi è un bastone. Le frecce di fuoco cinesi erano semplici razzi montati sulle estremità di bastoncini che mantenevano il centro di pressione dietro il centro di massa. Nonostante ciò, le frecce di fuoco erano notoriamente inaccurate. L'aria doveva fluire oltre il razzo prima che il centro di pressione potesse entrare in vigore. Mentre è ancora a terra e immobile, la freccia potrebbe oscillare e sparare nel modo sbagliato.