모형 로켓은 비행 중 균형 상태가 흐트러진 후 자동으로 원래 균형 상태로 되돌아갈 수 있는 능력을 안정성이라고 한다. 모형 로켓의 안정성 설계는 비행 안전을 보장하고 모형 로켓의 비행 성능을 향상시키는 데 매우 중요한 역할을 한다.

모형 로켓 안정성 설계가 따라야 할 첫 번째 기본 원칙은 모형 로켓의 무게 중심 (CG) 이 압력 중심 (CP) 앞의 특정 위치 요구 사항 (CG-CP 조건) 에 있어야 한다는 것입니다. 이 조건이 충족되어야만 로켓체가 적절한 균형 공기 동력을 얻어 로켓의 안정된 비행 상태를 유지할 수 있기 때문입니다.

우리는 3 차원 공간에서 자유 물체에 모멘트가 작용하면 물체가 반드시 자신의 무게 중심을 중심으로 회전하게 된다는 것을 알고 있다. 다음으로, 이 물체가 어떻게 움직이는지 직접 검증하고 관찰하는 간단한 실험을 해보겠습니다.

0.5 미터 정도 되는 균일한 막대기로 한쪽 끝을 잡고 막대기의 수직 방향으로 힘껏 던집니다. 운전대의 움직임에 주의하세요. 그것은 공중제비처럼 무게 중심을 중심으로 앞으로 굴러갈 것이다.

이 실험을 반복하면, 아무리 던져도 가벼우든 무겁든 수직이든 수평이든, 나무 막대기는 무게 중심을 둘러싸고 있는 이런 불규칙적인 롤링 운동을 다양한 정도로 반복한다는 것을 곧 알게 될 것이다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 지혜명언)

하지만 이때 우리가 막대기의 한쪽 끝에 무거운 물건을 하나 더하면 (예: 고무줄로 한쪽 끝에 작은 석두 한 개를 묶는 등), 예전처럼 던진다면, 막대기의 동작은 크게 달라진다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언) 이번에는 막대기가 굴러가는 중심이 이미 무거운 물건을 가지고 종점에 접근한 것이 분명하다. 이때 그림 1 의 간단한 방법으로 이 시점에서 막대기의 중심을 구하면, 이 때 막대기가 굴러가는 중심이 바로 자신의 무게 중심 (CG) 이라는 것을 쉽게 알 수 있다.

나무 막대기의 중심을 구하는 간단한 방법

이 간단한 실험을 통해, 우리는 3 차원 공간의 자유 물체가 공중에서 어떻게 자신의 무게 중심을 중심으로 움직이는지 분명히 이해할 수 있다. 마찬가지로, 공중에서 비행하는 로켓은 비행 궤적을 바꿀 수 있는 어떤 교란도 받은 후, 자신의 무게 중심을 중심으로 항로를 바꾼다.

이러한 결정적이거나 불확실한 외부 힘은 비행 중 예측할 수 없는 측풍, 로켓 헤드 원추와 발사 고리에 작용하는 공기 저항, 탄체와 꼬리날개의 변형 또는 설치 오류, 엔진 랙의 설치 오류, 엔진 자체의 구조적 오류 등에서 비롯될 수 있습니다. 분명히, 이 외력은 예측할 수 없고 완전히 무작위로 로켓체에 작용할 것이다. 따라서 어떤 로켓이라도 안정성 설계를 거쳐야 이런 외력의 불리한 영향을 극복하고 수정할 수 있다. 그렇지 않으면 로켓은 전혀 정상적으로 날 수 없다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 로켓명언)

모델 로켓의 경우, 로켓의 비행 상태는 일반적으로 제어 시스템에 의해 제어되지 않기 때문에 모델 로켓의 모든 모델은 공압적 안정성을 가져야 합니다. 즉, 안정성을 통해 설계된 모델 로켓은 모델 로켓 자체에서 발생하는 공기 동력과 모멘트에만 의존하여 교란력의 악영향을 극복하거나 균형을 맞출 수 있는 능력이 있어야 합니다.

그렇다면 어떻게 디자인해야만 이 목적을 달성할 수 있을까요? 매우 간단합니다. 어떤 비행 상태와 조건 하에서도 로켓의 무게 중심은 항상 공압압력 센터 앞 어느 곳에 있는 조건만 충족하면 됩니다!

앞서 살펴본 바와 같이, 모형 로켓 중심의 정확한 위치는 매우 간단한 방법으로 빠르게 찾을 수 있습니다. 그렇다면 로켓의 공압압력 센터는 무엇이며, 어떻게 그 위치를 찾을 수 있을까요?

다음 실험을 통해 우리는 더 많은 답을 찾을 수 있다.

우리가 반 미터 정도 길이의 나무 막대기를 하나 더 들고 앞의 실험과 마찬가지로 저항이 없는 유연한 회전 힌지에 놓는다고 가정해 봅시다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 저항명언) 음, 나무 막대기가 약 8- 10 km/h 의 일정한 기류를 정면으로 불고 있다고 가정해 봅시다. 이 시점에서 힌지가 나무 막대기의 형상 중심에 있고 나무 막대기의 기하학적 크기가 매우 균일하면 (모든 세그먼트가 동일한 바람맞이 면적을 가짐) 힌지 양쪽에 작용하는 공압거리는 바로 그것이지만, 이때 나무 막대기의 한쪽 끝에 로켓 꼬리와 비슷한 10 cm x 10 cm 카드를 끼우면 이때 막대기가 편향되어 지느러미가 없는 끝이 공기 흐름의 방향을 가리키게 됩니다. 다음으로, 힌지의 양쪽의 힘 거리가 공기 흐름에서 균형을 이루고 더 이상 편향이 없을 때까지 지느러미를 사용하여 힌지를 끝으로 점차적으로 이동합니다. 이 시점에서 회전 축의 위치는 로드의 측면 압력 중심 위치입니다. 상대적으로 움직이는 기류에서만 물체가 기류의 압력을 받을 수 있다는 것을 깨달아야 한다. 이른바 압력 센터가 나타난다. 동시에 물체의 풍향 면적이 클수록 이 기류의 압력도 커진다.

모델 로켓 측면 압력 중심의 측정으로, 모델 로켓을 저저항 힌지에 고정시켜 상대 동작의 측면 (수평) 균일 기류 (약 8- 10 km/h) 에 배치하여 측정, 계산 및 검증해야 합니다. 물론 조건이 허락한다면 저속 풍동과 같은 특수 장비를 사용하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 테스트의 정확도가 크게 향상됩니다. 하지만 이 조건은 사람이 많지 않아 모델 로켓은 저속 풍동의 저저항 힌지에 고정해 테스트할 수 있다. 따라서 모형 로켓의 측면 압력 중심을 빠르고 정확하게 찾을 수 있는 간단한 경험 방법이 있습니다.

우리는 모형 로켓이 운동 기류 중의 기압이 바람 부는 면적에 비례한다는 것을 안다. 이를 바탕으로, 많은 엄격한 이론적 계산과 실험 검증 및 약간의 단순화를 통해 모델 로켓의 측면 압력 중심 위치를 찾는 간단한 경험적 방법을 얻을 수 있습니다. 먼저 모델 로켓의 측면 압력 투영 템플릿을 만든 다음 그림 1 에 표시된 방법을 참조하여 투영을 구합니다.

모형 로켓 측압 중심 위치를 찾는 간단한 경험 방법

위의 논의는 모델 로켓의 측면 압력 중심에만 적용되며 로켓 꼬리 두께, 머리 원뿔 모양 등과 같은 다른 영향 요인은 고려하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 의심할 여지없이, 이러한 영향 요인들은 모형 로켓의 압력 센터를 표류시킬 수 있다. 그러나 대부분의 설계 시나리오에서 이러한 영향 요인으로 인한 이동은 매우 작으며, 이러한 이동의 결과는 일반적으로 있습니다.

모형 로켓이 비행 중에 예측할 수 없는 간섭 요인으로 편향되기 시작한다고 가정해 봅시다. 위에서 알 수 있듯이, 이런 편향 운동은 그 무게 중심을 중심으로 한다. 편향이 발생하면 상대 기류가 로켓체의 방향을 통과하는데, 이때 반드시 로켓체와 일정한 각도를 형성할 것이다. 이 시점에서 모델 로켓의 압력 중심이 무게 중심 뒤에 있는 위치에 있으면 모델 로켓 꼬리에 작용하는 공기동력이 작용모멘트를 형성하여 편향 모멘트를 상쇄하고 로켓을 원래 궤적으로 되돌립니다. 반대로, 압력 중심이 무게 중심 앞에 있는 경우, 운동의 기류는 모멘트를 생성하고 편향 모멘트를 증가시켜 모형 로켓의 탄도 편차를 완전히 통제할 수 없을 때까지 가역적으로 확대할 수 있습니다.

그렇다면, 재래식 모형 로켓에 있어서, 얼마나 많은 안정성이 필요하고 적합한가? 실험과 엄밀한 이론 계산에 따르면 모형 로켓의 압력 중심에서 무게 중심까지의 거리는 자체 몸의 반지름 길이보다 크거나 같아야 공압적 안정성에 필요한 기본 조건을 충족시킬 수 있습니다. 모델 로켓이 설계, 제조 및 최종 발사 디버깅 과정에서 이 조건을 충족하지 못하면 모델 로켓이 불안정하며 즉시 실험 활동을 중지해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 모형 로켓의 정상 비행을 만족시키는 데 필요한 최소 공압적 안정성은 안전안정성이라고도 한다.

설계가 완전히 불안정한 모형 로켓의 경우 발사대를 떠나 공중으로 들어가면 즉시 불규칙하게 굴러서 정상적으로 이륙할 수 없다. 이런 모형 로켓은 보통 10 미터 이하의 높이에 도달하며 평균 불규칙비행 속도는 10~ 15 km/h 입니다. 그러나 가끔 사고가 발생할 수 있습니다. 일부 불안정한 모형 로켓은 연료를 소모한 후 무게 중심을 앞으로 이동시켜 압력 중심과 무게 중심의 상대적 위치가 본질적으로 변하게 합니다. 몇 번 연속 구르면 모형 로켓이 무작위 위치와 상태에서 불안정에서 안정으로 바뀌며 갑자기 착지를 가속화해 지상의 사람과 물품에 심각한 위협이 될 수 있다. 따라서 불안정한 모형 로켓을 발사하는 것은 매우 위험하므로 전면 금지해야 한다.

모형 로켓의 공압 안정성은 압력 중심과 무게 중심 사이의 거리를 변경하여 조정할 수 있습니다. 다음과 같은 두 가지 방법이 있습니다.

■ 먼저 모형 로켓 헤드 콘의 무게 (무게) 를 늘려 로켓 무게 중심을 앞으로 이동합니다.

■ 둘째, 꼬리 면적을 늘리면 압력 중심을 효과적으로 뒤로 이동시켜 모형 로켓의 공압 안정성을 높일 수 있습니다.

이 두 가지 방법은 각각 장단점이 있으며, 구체적인 사용에서도 그 부정적인 영향에 주의해야 한다. 즉, 헤드 콘에 무게를 더하면 로켓의 전체 중량이 증가하고 모형 로켓의 비행 품질이 떨어지는 것이다. 두 번째 방법은 경우에 따라 적용되지 않습니다. 예를 들어 모형 로켓의 꼬리날개 면적을 시뮬레이션하는 것은 변경할 수 없습니다. 또한 꼬리날개를 늘리면 측풍에 미치는 영향이 더 민감해지고, 효과적인 이탈 높이는 동급이고 꼬리날개가 작은 모델 로켓보다 낮아집니다.

따라서 모형 로켓의 안정성 설계는 최적화 설계의 문제라는 점을 지적해야 합니다. 이론적 계산과 광범위한 실험 검증 및 설계 경험에 따르면 모형 로켓의 무게 중심이 압력 센터 앞에 있는 최적의 설계 값은 안전하고 안정된 두 배의 거리, 즉 로켓체의 지름 (구경) 길이를 충족하는 것이 좋습니다.

지금까지, 우리가 논의한 것은 모형 로켓의 정적 안정 특성뿐이다. 또한 모형 로켓의 안정성 특성에는 동적 안정성 특성이 포함됩니다.

모형 로켓의 동적 안정성은 주로 자체 구조의 관성 모멘트 (구조 질량과 무게 중심 거리의 곱) 에 따라 달라집니다. 모형 로켓의 동적 안정성 특성에는 복원력과 회복 모멘트의 크기, 자유 스윙의 폭과 빈도, 댐핑 후 스윙이 사라지는 시간이 포함됩니다. 실험 결과, 가늘고 긴 모형 로켓은 같은 등급의 짧은 구조의 모형 로켓보다 더 나은 동적 안정성을 가지고 있는 것으로 나타났다. 가느다란 모형 로켓 구조의 관성 모멘트가 후자보다 크기 때문에 난류의 영향을 잘 받지 않기 때문이다. 교란을 받더라도 스윙의 빈도와 폭은 훨씬 작으며, 제동 후 스윙이 사라지는 시간도 더 짧습니다. 즉, 로켓의 비행 궤적이 비교적 평평하고 안정적입니다.