Wie steuern wir die Rakete nach dem Start?

Ich habe bereits zuvor gesagt, dass Raketenwerfer und Trägerraketen im Hinblick auf die wesentlichen Prinzipien genau dasselbe sind, aber viele Menschen sind damit nicht einverstanden. Zumindest wenn es sich um eine Trägerrakete handelt, sollte sie in der Lage sein, sich selbst zu steuern und dem Raumfahrzeug, das sie trägt, einen präzisen Eintritt in die Umlaufbahn zu ermöglichen.

Um zu wissen, wie man eine Rakete steuert, müssen wir zunächst wissen, welche Bewegungen der Rakete wir steuern müssen. Wie können wir es steuern, genau wie ein Auto? Schiebedach öffnen, Musik abspielen, Blinker setzen, Scheibenwischer einschalten, das sind nicht die Kernfunktionen eines Autos. Was sind die Kernfunktionen? Beschleunigen, abbremsen, links abbiegen, rechts abbiegen. Dasselbe gilt für den Raketenflug. In Bezug auf die Bewegung sind vorwärts, rückwärts, links und rechts die grundlegendsten. Bei einem Flugzeug gibt es zwei Richtungen mehr als bei einem Auto: nach oben und nach unten.

Rauf und runter, links und rechts, vorn und hinten, das nennt man in der Mechanik Translationsfreiheit. Wie viele Freiheitsgrade gibt es oben, unten, links, rechts, vorne und hinten? Es sind nicht sechs, sondern drei, denn mathematisch gesehen ist unten gleich negativ oben, rechts gleich negativ links und hinten gleich negativ vorne. Sie können also mit drei Freiheitsgraden beschrieben werden. Wenn wir ein Fluggerät steuern, müssen wir letztendlich diese drei Freiheitsgrade kontrollieren, damit es dort ist, wo es sein soll. Um diese drei Freiheitsgrade zu steuern, müssen wir jedoch im Allgemeinen drei weitere Freiheitsgrade der Bewegung nutzen, nämlich Nicken, Gieren und Rollen. Diese drei Freiheitsgrade werden Rotationsfreiheitsgrade genannt.

Wenn eine Rakete beispielsweise ihre Flugbahn nach oben korrigieren möchte, hebt sie normalerweise zuerst den Kopf. Auf diese Weise werden wir feststellen, dass die Richtung seines Strahls einerseits stärker nach unten gerichtet ist und er somit mehr Aufwärtskraft erhält. Wenn andererseits zu diesem Zeitpunkt noch Luft vorhanden ist, wird auch sein Anstellwinkel größer, was ihm einen größeren Auftrieb verleiht und ihn nach oben steigen lässt. Sie fragen mich, ob ich die Luft einfach seitwärts sprühen kann, um sie nach oben, unten, links und rechts zu bewegen? Das können Sie natürlich, aber es verbraucht mehr Benzin und kostet mehr Geld. Der Einsatz bei Waffen ist sehr gut, der Einsatz bei Trägerraketen jedoch nicht kosteneffizient. Die meisten Trägerraketen können in drei Richtungen rotieren: Nicken, Gieren und Rollen.

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Zur Steuerung der Drehung in diese drei Richtungen gibt es viele verschiedene Möglichkeiten. Wir können uns zunächst den Vorgänger der modernen Raketen ansehen, die V2-Rakete. Die V-2 verfügt über zwei Möglichkeiten zur Selbststeuerung. Eine davon befindet sich am äußeren Ende des Flügels und stellt die auslenkbare aerodynamische Steuerfläche dar. Wenn die horizontalen Ruderflächen nach oben und unten ausschlagen, neigt sich die Rakete, und wenn die beiden vertikalen Ruderflächen nach links und rechts ausschlagen, giert die Rakete nach links und rechts. Wenn die beiden gegenüberliegenden Ruder nicht in die gleiche Richtung gedreht werden, rollt die Rakete.

Da es sich um eine aerodynamische Steuerfläche handelt, muss die Aerodynamik genutzt werden. Die durch die Aerodynamik erzeugte Kraft kann im Allgemeinen mit der folgenden Formel berechnet werden:

F=1/2ρv²×C×S. Sie müssen es immer noch nicht vollständig verstehen. Dazu muss man nur wissen, dass der Knoten vorne als Staudruck bezeichnet wird. Je größer der dynamische Druck, desto größer die aerodynamische Kraft. Die beiden Größen des dynamischen Drucks sind Fluggeschwindigkeit und Luftdichte. Mit anderen Worten: Wenn die Rakete zu langsam fliegt oder wenn die Rakete zu hoch fliegt und die Luft verschwindet, dann verschwindet auch die Aerodynamik. Zu langsames Fliegen kommt vor allem beim Abheben vom Boden vor, zu hohes Fliegen hingegen ist bei Raketen die Regel.

Daher verfügt die V-2 über einen weiteren Satz von Komponenten, die sich selbst steuern, nämlich die vier Teile hinter der Düse. Diese vier Teile werden Gasruder genannt. Wenn sie ausgelenkt werden, lenken sie das aus dem Motor ausgestoßene Gas ab und erzeugen dadurch ein Steuerdrehmoment. Da das abzulenkende Objekt relativ klein ist, weist diese Methode einen einfachen und praktischen Aufbau auf. Dieses Gasruder muss jedoch der Erosion durch Raketengas standhalten, daher sind die Materialanforderungen relativ hoch, die Steuereffizienz ist jedoch sehr allgemein. Darüber hinaus kommt es zu Schubverlusten, wenn man einfach nur hinter der Düse steht. Bei der V-2-Rakete beträgt der Schubverlust dieser Gasruder etwa 3 bis 5 Prozent.

Auch unsere Trägerrakete „Langer Marsch 1“, die den Satelliten Dongfanghong 1 ins All brachte, verwendet diese Art von Gasruder. Wenn Sie die Steuerungseffizienz weiter verbessern möchten, können Sie einen Schwenkmotor verwenden, d. h., Sie lassen den Raketenmotor direkt ablenken, sodass auch die ausgestoßenen Flammen abgelenkt werden und diese Ablenkung die Rakete rotieren lassen kann. Wir haben mit der Verwendung dieser Art von Schwenktriebwerken mit der Rakete „Langer Marsch 2“ begonnen. Ihre erste Stufe verfügt über vier Triebwerke, und jedes Triebwerk kann entlang der Tangente der Rakete schwenken. Wenn die oberen und unteren Triebwerke nach links und rechts schwingen, giert die Rakete nach links und rechts. Wenn die linken und rechten Triebwerke auf und ab schwingen, neigt sich die Rakete nach oben und unten. Wenn die Schwingrichtungen nach links und rechts bzw. nach oben und unten nicht übereinstimmen, kann die Rakete rollen.

Auf der zweiten Stufe des Langen Marsch 2 gibt es nur ein Haupttriebwerk. Wie soll es kontrolliert werden? Tatsächlich will der Hauptmotor der zweiten Stufe des Langen Marsch 2 einfach nicht anspringen. Stattdessen werden vier kleine Motoren darum herum angebracht, die es ihnen ermöglichen, nach den gleichen Regeln wie die erste Stufe zu schwingen. Diese vier kleinen Motoren werden Wandermotoren oder kurz Wandermotoren genannt.

Ob es sich um die erste Etappe des Langen Marsches 2 oder um die zweite Etappe handelt, sie können nur in eine Richtung ausschlagen. Wenn der Motor in beide Richtungen nach oben und unten sowie nach links und rechts schwingen kann, lässt er sich leichter steuern. Beispielsweise verfügt die Kernstufe der Raumfahrzeuge „Langer Marsch 5“ und „Langer Marsch 7“ nur über zwei Triebwerke, diese beiden Triebwerke können jedoch in beide Richtungen schwenken, sodass sie sowohl die Nick- als auch die Gierbewegung steuern können. Wenn die beiden Motoren differenziell arbeiten, kann auch die Rollbewegung kontrolliert werden. Obwohl die zweite Stufe der Langer Marsch 7 über vier Triebwerke verfügt, sind nur zwei davon schwenkbar. Die anderen beiden können direkt angeschweißt werden und basieren ebenfalls auf dieser Zweiwege-Schwenktechnologie. Das Schwingen des Motors erfordert unbedingt ein Betätigungselement, um es zu bewegen und je größer und schwerer das schwingende Teil ist, desto größer ist die für das Betätigungselement erforderliche Kraft. Eine größere Kraft bedeutet im Allgemeinen ein höheres Gewicht und eine größere Größe unter den gleichen Bedingungen, daher möchten wir den schwingenden Teil des Motors so klein wie möglich gestalten.

So wurde in unserem Land im Jahr 2017 die Pump-Back-Swing-Technologie erfolgreich getestet. Aus der letzten Unterrichtsstunde wissen wir, dass die Treibstoffpumpe einen großen Teil des Flüssigkeitsraketentriebwerks ausmacht. Früher mussten diese Kraftstoffpumpen und andere Dinge zusammenschwingen. Beim sogenannten Pumpen-Rückschwingen schwingen Bauteile wie beispielsweise die Kraftstoffpumpe nicht, sondern nur der hintere Teil. Dieser Aufbau ist kompakter, der benötigte Aktuatormechanismus ist kleiner und es kann viel Gewicht und Platz gespart werden. Wie aus dem Namen hervorgeht, handelt es sich bei dem Pump-Forward-Swing oder Pump-Backward-Swing um Flüssigkeitsraketentriebwerke, da Feststoffraketen, wie bereits erwähnt, keine Pumpen besitzen. Bei Feststoffraketen wird diese Technologie als Schwingdüse bezeichnet, was bedeutet, dass nur die Düse schwingt, die die Strahlen ausstößt.

In den letzten Jahren sind in meinem Land einige kleine Trägerraketen mit Feststoffraketenmotoren auf den Markt gekommen, die eine gute Manövrierfähigkeit und geringe Kosten aufweisen, wie etwa die Jielong und die Kuaizhou. Wenn wir uns das neueste Startvideo der Kuaizhou-11 noch einmal ansehen, werden wir feststellen, dass sie sich etwas von anderen Raketen unterscheidet. Auf seinem Kopf befindet sich ein kleiner Dorn, der nach dem Abheben Feuer zur Seite versprüht. Tatsächlich handelt es sich bei dem, was hier Feuer spuckt, um einen sogenannten festen Lageregelungsmotor. Diese kleinen Triebwerke feuern Strahlen auf die Seiten der Rakete ab, doch anstatt die Rakete direkt seitwärts zu bewegen, lenken sie sie dennoch ab.

Beim Kuaizhou übernehmen auch die vier drahtartigen Dinger darunter diese Rolle. Bei diesem Ding handelt es sich nicht um ein Drahtgeflecht, sondern um ein Gitterruder. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um dasselbe wie eine allgemeine aerodynamische Steuerfläche. Sein Vorteil besteht darin, dass er bei gleichem Volumen eine größere aerodynamische Kraft mit höherer Effizienz erzeugen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die aerodynamischen Kraft erzeugenden Bereiche zu einem Netz zusammengestapelt werden können, das sich zudem zur Volumenreduzierung des Flugzeugs zusammenfalten lässt.

SpaceXs Falcon 9 ist zur Steuerung während der Bergung auf solche Ruder angewiesen, und auch unsere bemannte Rakete Chang Zheng 2F verfügt über ein solches Gitterruder am Kopf. Wenn das Rettungssystem aktiviert wird, entfaltet es sich und beginnt zu arbeiten. Natürlich gibt es, wie ich gerade sagte, Aerodynamik nur bei Luft und Geschwindigkeit, daher können die Gitterruder dieser Raketen nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit und Höhe eine Steuerwirkung erzielen.

Okay, haben Sie gelernt, wie man eine Rakete steuert?

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Herr Gou Sheng

Gutachter: Zhou Binghong (Forscher am National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.