模型火箭的稳定

lantianyipian · 发表于 2016-4-17 17:44

模型火箭在飞行的过程中，若遭遇风的轻微扰动或是推力的不稳定，会造成火箭震动，或是改变火箭飞行的高度。如同所有在飞行中的物体，模型火箭绕著它的重心 cg（图中以黄点标记）旋转。旋转使得火箭的对称轴与飞行的路径產生一个交角a。当火箭与飞行路径有交角產生时，火箭的箭身与安定片会產生升力，而在此小交角时，空气作用力的阻力并没有太大的改变。升力与阻力皆作用在火箭的风压中心cp上（途中以黑色与黄色点来表示）。
在这裡我们显示三种状态，其飞行方向均為垂直地面向上。图片中间处，火箭并未受到干扰且火箭的对秤轴与飞行方向相同。此时火箭的阻力与对秤轴平行，而没有產生升力。图中左边，一枚动力飞行中的火箭受到干扰而使火箭的鼻锥朝右。图中右边，一枚惯性飞行中的火箭受到干扰而使火箭的鼻锥朝左途中中的偏角以符号a来表示。考虑图中动力飞行的火箭，我们可以看到有个升力產生并朝向火箭的右边或下风处。考虑惯性飞行的火箭，升力则朝向左方，也是火箭受风的下风处。对动力飞行的火箭，力与阻力皆对重心產生逆时鐘方向的力矩；在这两力的作用下火箭的尾端将会转向右方而鼻锥会转向左方。对惯性飞行的状态，升力与阻力皆对重心產生顺时鐘方向的力矩；在这两力的作用下火箭的尾端将会向左转而鼻锥会转向右方。两种状态下，升力与阻力都使得鼻锥回到飞行的方向。工程师称这為回復力因為这些力将飞行器〝回復〞到它的初始状态。
模型火箭存有回復力因為它的风压中心的位置在重心之后。如果风压中心的位置在重心之前，升力与阻力的方向不会改变，但是由这些力產生的力矩方向刚好与先前的力矩相反。这称為抗稳定力。鼻锥的任何微小偏移產生的力将会使鼻锥的偏移量加大。风压中心一定要在重心之后，是一枚稳定的模型火箭的必须条件。
这裡有一个比较简单的测试方法可以用在模型火箭上来决定它的稳定性。在箭身上重心的位置，用一条细线将火箭绑起来。注意模型火箭的降落伞与引擎此时已经安装在火箭裡。拉住棉线的另一端，让火箭在你身旁甩圈飞行。火箭飞行几圈后，如果火箭的鼻锥指向飞行的方向，火箭是稳定的并且风压中心在重心之后。如果火箭不稳定的晃动，或是以尾巴指向飞行的方向，那麼火箭是不稳定的。你可以想办法让火箭的风压中心向后移动来增加稳定性，譬如加大安定片的面积，或是让火箭的重心往前移动，譬如在鼻锥上加点配重。
附註：现在的真实火箭通常不依靠空气动力特性来稳定。真实火箭能够调整他们排气喷嘴的方向来稳定与控制火箭。这是為什麼你没有在Delta，泰坦(Titan)，或是擎天神(Atlas)火箭上看到安定片的原因。
参考资料：NASA Glenn Research Center, Learning Technology Project.