火箭重心压心对火箭飞行的影响(鄙见)
蜂起42232022/08/18原创 喷气推进 IP:浙江
关键词
重心压心稳定
CPCG

火箭重心压心对

火箭飞行的影响

王舸帆

 

      在研究飞行稳定性的过程中常常需要首先确定重心-压心关系(CG-CP relationshi-p)。下面论述火箭的重心、压心对于火箭飞行的影响。

    我们知道,引起一个物体转动的原因是力矩。力矩对时间积分产生角动量,而角动量引起了物体绕质心的转动。

     火箭的转动惯量随燃料喷射的变化可以不用考虑,而需要重点考虑的是重心-压心关系。火箭重心及压心的确定方式在上一篇中已经讲过。

   要想维持火箭的平衡,一般来说就需要保证火箭的压心位于重心后端。如果压心位于重心后端且重心与压心距离为两倍箭体直径以上,我们就可以说这个火箭是稳定的。这也可以叫做自稳定性。反之,如果火箭重心与压心距离不到两倍箭体直径甚至重心在压心上面,那么火箭就是不稳定的,微小的扰动产生影响会随着火箭倾角扩大而增大,最后火箭就会加速倾斜。

   在未作处理时,火箭重心往往是与压心靠得很近甚至在压心上面的。所以,为了火箭的稳定,我们就要做这么两件事:提高重心和降低压心。

   提高重心主要的方法有在头锥配重(堵漏王、铅丝等)(但这自然增加了火箭整体的重量,会使最大飞行高度有所降低)、前置发动机(即把发动机往前挪)等

   降低压心的方法便是添加尾翼。至于尾翼对于压心的影响,在另一篇文章《火箭重心、压心的确定》中我已经有所说明。

(个人对于重心、压心确定的浅陋理解 - 科创 (kechuang.org))


        火箭萌新一枚,本文中如有错误还请各位大佬指正

        希望可以给像我一样的火箭萌新一点帮助


[修改于 1年7个月前 - 2022/08/18 17:14:30]

来自:航空航天 / 喷气推进严肃内容:专业科普
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~~空空如也
谁叫小明
1年7个月前 IP:广东
907102

1.重点在于箭体是绕重心旋转,整体受风阻的合力可视为作用在压心上。
箭体在有一定角度飞行时阻力是速度的反向,且作用在压心上,而力相对于重心上的力矩恰好能使得箭体向摆正的方向进行旋转。如果这里有图的话可能更能让大家理解。
2.配重是一种方案,但是要考虑理想情况下火箭的能量是一定的,若增加质量的情况下则高度会有所下降,更好的方式也是增加尾翼面积以及将尾翼尽可能后移且确保在重心后面。
3.楼主总结的也很好,但添加尾翼不一定是个负反馈调节,有关鸭翼建议楼主可以了解一下若有所收获希望能出一篇文章讲讲,谢谢!!

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蜂起4223作者
1年7个月前 IP:浙江
907114

现在来着重说明压心需要靠后的原因。

       如图所示,假设火箭顺时针转过了一角度θ,这时候重心和压心的连线与重力和空气作用力并不是一个方向,于是就会产生一个力矩。

       假设火箭开始旋转的一瞬间,此时火箭飞行速度仍竖直向上,故空气阻力竖直向下。假设重心与压心距离为R,空气阻力为F,我们分别画出重心在压心上方和下方的情况进行分析。

i)重心在压心上方

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   以重心为力矩参考点。可见,产生了一个大小为FRsinθ的力矩,方向垂直于纸面向外。由右手螺旋定则可知此时的力矩引导火箭向逆时针运动,于是就可以让火箭恢复平衡

ii)重心在压心下方

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   以重心为力矩参考点。此时也产生了一个大小为FRsinθ的力矩,但方向垂直于纸面向内。由右手螺旋定则可知此时的力矩引导火箭向顺时针运动,于是火箭越来越歪。

       可以看出,当重心在压心上方时,让火箭恢复的力矩与重心与压心距离是成正比的,因此尽量增加重心与压心之间的距离。不过当然也不用过度增加,经过大量的理论计算和实验推理,最后得出结论一般在两倍直径为适宜。


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谁叫小明
1年7个月前 IP:广东
907129
引用蜂起4223发表于2楼的内容
现在来着重说明压心需要靠后的原因。       如图所示,假设火箭顺时针转过了一角度θ,这时候重心和...

我想知道那个两倍直径的结论是怎么得到的?如果超过两倍直径是会有过冲的现象还是?

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银鞍照白马
1年7个月前 IP:湖南
907133
引用谁叫小明发表于3楼的内容
我想知道那个两倍直径的结论是怎么得到的?如果超过两倍直径是会有过冲的现象还是?

我也很好奇,两心距离不足时的情况很好理解,可是为什么不能让重心离压心更远些呢

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蜂起4223作者
1年7个月前 修改于 1年7个月前 IP:浙江
907137
引用银鞍照白马发表于4楼的内容
我也很好奇,两心距离不足时的情况很好理解,可是为什么不能让重心离压心更远些呢

说实话这方面我也是刚刚研究,可能理解有误,如有错误望指出。

我的理解是这样:重心离压心更远可以,不会有不好的影响,但没必要。因为重心离压心越远肯定就越困难。

对于我目前的一个六尾翼火箭设计压心与重心距离也仅仅能达到1.62倍的火箭直径(54mm×1.62),所以到后面就会比较困难,也没有什么必要。

应该是根据“大量的理论计算和实验推理”,当重心、压心距离在0到2倍火箭直径时重心压心距离上升对于火箭稳定性的提升更为明显,而大于2倍直径效果并不会那么显著。2倍直径的距离对于一般的合格火箭的稳定已经足够了,除非燃料一致性很差或者喷口歪斜导致斜喷之类。

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hypersonic_m
1年7个月前 IP:山东
907661
引用蜂起4223发表于5楼的内容
说实话这方面我也是刚刚研究,可能理解有误,如有错误望指出。我的理解是这样:重心离压心更远可以,不会有...

静稳定裕度一般用压心重心距离与弹长之比衡量,20%以上认为是静稳定的,10~20%认为是低静稳定裕度的,这只是一个经验说法,没有统一标准。燃料一致性属于品质问题,喷管歪斜属于推力偏心,与静稳定性无关。

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化永年OAH
1年3个月前 IP:安徽
911828

想问一下各位大佬压心低于重心一定程度后追风性太强怎么办



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