Как стабилизируется ракета во время начальной, медленной части запуска?

Вы можете воссоздать проблему, поместив кончик карандаша на палец. Старайтесь удерживать карандаш/ракету в вертикальном положении, двигая рукой вперед и назад. Если вам это удалось более чем на несколько секунд, поздравляем! У тебя дела идут лучше, чем у Протона 535-43 .

На самых ранних стадиях полета (до того, как аэродинамика окажет какое-либо серьезное влияние) ракету можно описать как перевернутый маятник , точно так же, как карандаш. Чтобы оставаться стабильной, ракета должна обеспечить, чтобы вектор тяги ее двигателей проходил прямо через ее центр тяжести.

Из http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/gimbaled.html

Большинство современных ракет используют карданные двигатели для направления тяги, но это не единственный способ добиться изменения вектора тяги . Вот еще несколько:

См. Источник для получения дополнительной информации. (Примечание: части сайта кажутся идентичными Rocket Propulsion Elements, George P. Sutton, Oscar Biblarz .)

Один из самых простых способов решения задачи о перевернутом маятнике — с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора). Я позволю Википедии объяснить :

Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) представляет собой механизм обратной связи контура управления (контроллер), обычно используемый в промышленных системах управления. ПИД-регулятор непрерывно вычисляет «значение ошибки» как разницу между измеренной переменной процесса и желаемой уставкой. Контроллер пытается минимизировать ошибку с течением времени, настраивая управляющую переменную, такую ​​как положение регулирующего клапана, заслонки или мощность, подаваемая на нагревательный элемент, на новое значение, определяемое взвешенной суммой:

$$u(t) = K_pe(t) + K_i\int^t_0e(\tau)d\tau+K_d\frac{de}{dt}$$

куда$K_p$,$K_i$, а также$K_d$, все неотрицательные, обозначают коэффициенты для пропорциональных, интегральных и производных членов соответственно (иногда обозначаемые$P$,$I$, а также$D$).

На веб-сайте компании Control Solutions, Inc. есть очень хорошее (и довольно простое для понимания) объяснение базовых основ ПИД-регулятора.

Другие ответы здесь верны: используется кардан или другие активные меры коррекции.

В то время как большинство пусковых установок пытаются поддерживать вертикальный полет вне стартовой площадки, ракета Antares известна преднамеренным «маневром Баумгартнера», который она делает при взлете, преднамеренно поворачивая двигатель, чтобы маневрировать от башни в первые секунды полета, когда вы можно посмотреть здесь .

Большинство ракет активно стабилизируют свои двигатели для поддержания стабильности. Небольшое смещение оси тяги прекрасно работает, чтобы удерживать ее в вертикальном положении.

Сравнение ракеты с карандашом на пальце — это заблуждение ракеты-маятника. Когда вы уравновешиваете карандаш, направление нормальной силы зависит от направления силы тяжести, положения карандаша и положения вашего пальца, но обычно направлено вверх. Когда карандаш наклоняется, он становится нестабильным, потому что возмущающий крутящий момент увеличивается. Крутящий момент ракетного двигателя с карданным подвесом не зависит от положения или силы тяжести, поскольку угол тяги зависит от самой ракеты, а не от земли. Единственное, что имеет значение, — это угол срабатывания подвеса, чтобы не было разгона. Стабилизировать не сложнее, чем если бы двигатель был наверху — во всяком случае, это проще, так как приведение в действие происходит дальше от центра масс, который ближе к носу. Роберт Годдард, как известно, сделал это неправильное суждение, когда он был пионером ракетостроения с ранними прототипами ракет, в которых двигатель располагался наверху. Это не повлияло на устойчивость, и без активного управления или аэродинамической устойчивости по конструкции он врезался в землю. Это не перевернутый маятник, потому что гравитация действует на все его части в равной степени и нет ограниченного поворота. Это просто масса в свободном падении с входным крутящим моментом, который, как можно представить, действует во всех точках одновременно, если не принимать во внимание изгиб конструкции.