¿Cómo se estabiliza un cohete durante la parte inicial del lanzamiento a baja velocidad?

Puede recrear el problema colocando la punta de un lápiz primero en su dedo. Trate de mantener el lápiz/cohete en posición vertical moviendo la mano de un lado a otro. Si lo lograste por más de unos segundos, ¡felicidades! Lo estás haciendo mejor que Proton 535-43 .

En las primeras etapas del vuelo (antes de que la aerodinámica tenga un efecto importante), el cohete puede describirse como un péndulo invertido , al igual que el lápiz. Para mantenerse estable, el cohete debe asegurarse de que el vector de empuje de sus motores pase directamente por su centro de gravedad.

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

La mayoría de los cohetes modernos ajustan sus motores para dirigir el empuje, pero no es la única forma de lograr la vectorización del empuje . Aquí hay algunos más:

Consulte la fuente para obtener más información. (Nota: partes del sitio parecen ser idénticas a Rocket Propulsion Elements, George P. Sutton, Oscar Biblarz ).

Una de las formas más sencillas de resolver el problema del péndulo invertido es con un controlador proporcional-integral-derivativo (controlador PID). Dejaré que Wikipedia explique :

Un controlador proporcional-integral-derivativo (controlador PID) es un mecanismo de retroalimentación de bucle de control (controlador) comúnmente utilizado en sistemas de control industrial. Un controlador PID calcula continuamente un "valor de error" como la diferencia entre una variable de proceso medida y un punto de ajuste deseado. El controlador intenta minimizar el error con el tiempo mediante el ajuste de una variable de control, como la posición de una válvula de control, un amortiguador o la potencia suministrada a un elemento calefactor, a un nuevo valor determinado por una suma ponderada:

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

dónde$K_p$,$K_i$, y$K_d$, todos no negativos, denotan los coeficientes para los términos proporcional, integral y derivado, respectivamente (a veces denotados$P$,$I$, y$D$).

Control Solutions, Inc. tiene una explicación muy buena (y bastante fácil de seguir) en su sitio web de los conceptos básicos de un controlador PID.

Las otras respuestas aquí son correctas: se utilizan gimbaling u otras medidas de corrección activa.

Si bien la mayoría de los lanzadores intentan mantener un vuelo vertical fuera de la plataforma, el cohete Antares es conocido por la "Maniobra de Baumgartner" intencional que realiza durante el despegue, deliberadamente balanceando el motor para maniobrar alejándose de la torre en los primeros segundos de vuelo, mientras puede ver aquí .

La mayoría de los cohetes cardan sus motores activamente para mantener la estabilidad. Cambiar el eje de empuje ligeramente funciona bien para mantenerlo en posición vertical.

Comparar un cohete con un lápiz en el dedo es la falacia del cohete del péndulo. Cuando equilibras el lápiz, la dirección de la fuerza normal depende de la dirección de la gravedad, la actitud del lápiz y la posición de tu dedo, pero generalmente está hacia arriba. Como las puntas del lápiz, es inestable porque aumenta el par perturbador. El par de un motor de cohete con cardán no depende de la actitud o la gravedad, ya que el ángulo de empuje está en relación con el cohete en sí, no con el suelo. Lo único que importa es el ángulo de actuación del gimbal, para que no se descontrole. No es más difícil de estabilizar que si el motor estuviera en la parte superior; en todo caso, es más fácil ya que la actuación está más alejada del centro de masa, que está más cerca de la nariz. Es bien sabido que Robert Goddard cometió este error de juicio cuando fue pionero en los cohetes con los primeros prototipos de cohetes que colocaban el motor en la parte superior. No tuvo ningún efecto sobre la estabilidad y sin control activo o estabilidad aerodinámica por diseño, se estrelló contra el suelo. No es un péndulo invertido porque la gravedad actúa en todas sus partes por igual y no hay un pivote restringido. Es solo una masa en caída libre con un par de entrada que se puede imaginar que actúa en todos los puntos simultáneamente, si ignora la flexión en la estructura.