Progettazione di un razzo

Sollecitazioni meccaniche

Un razzo, oltre ad essere stabile, deve anche essere sufficientemente leggero per staccarsi dalla rampa e alzarsi più' in alto possibile.
La relativamente ridotta spinta dei motori non consente di esagerare nel peso dei modelli.
Dobbiamo perciò' eseguire un'attenta progettazione nell'intento di risparmiare peso senza pero' rinunciare alla robustezza strutturale.
La forte accelerazione durante la spinta potrebbe infatti provocare cedimenti nelle parti più critiche del modello, causandone il danneggiamento o la distruzione.
Fortunatamente le forze in gioco sono quasi tutte direzionate in senso verticale, semplificando percio' l'analisi delle stesse.
La spinta del motore e' contrastata dalla massa del modello che e' distribuita nella sua lunghezza e in parte minore dall'attrito con l'aria, individuato soprattutto sulla parte frontale e sulle pinne.
Da queste considerazioni risulta chiaro che l'intera struttura del modello deve riuscire a sopportare la forza del propulsore ed e' calcolata con la classica formula :

F= m* a

dove la forza (F) e' data dalla massa (m) per l'accelerazione (a).

Le accelerazioni alle quali i razzi sono sottoposti sono abbastanza elevate a causa del gia' citato problema di stabilita' all'uscita della rampa.
Nei pochi centimetri di corsa guidata (metri nel caso di razzi di grandi dimensioni) dalla rampa, il razzo deve infatti raggiungere la velocita' necessaria alle pinne per rendere stabile la traiettoria.
Se la velocita' e' troppo bassa il razzo puo' inclinarsi e prendere una rotta pericolosa, anziche' verticale.
In genere il disegno del razzo prevede una velocita' non inferiore ai 15 m/s e questa velocita' deve essere gia' raggiunta al momento dello stacco dalla rampa.
La massa del razzo, l'impulso iniziale del motore e la lunghezza della rampa sono parametri da calcolare in modo estremamente accurato per ottenere lanci sicuri.

Esistono anche altri fattori da considerare:
La spinta del motore non sempre e' perfettamente in asse con l'ugello a causa delle tolleranze di montaggio.
Inoltre le perturbazioni nel flusso di gas in uscita, unite a fattori interni come l'attrito sulle guide di lancio ed esterni come il vento, possono generare delle forze spurie ed imprevedibili.
Questi elementi di disturbo sono in grado di alterare il profilo di volo nei primi istanti del lancio e nei casi piu' estremi di falsare la traiettoria prevista.
E' necessario percio' che la guida della rampa, oltre ad essere sufficientemente lunga deve essere anche particolarmente rigida.
Un paragrafo sara' dedicato alla progettazione e realizzazione delle rampe di lancio.

Software di simulazione

Per ottenere le migliori prestazioni dai modelli da noi progettati e' importantissimo conoscere il loro comportamento in volo prima ancora di realizzarli.
La prassi più semplice e sicura per ottenere questi dati e' quella di usare un apposito programma per computer, conosciuto come simulatore.
Il più conosciuto e' sicuramente il programma RockSim, prodotto dalla Apogee e rilasciato in diverse versioni, tra le quali ci sono anche delle demo gratuite.
La demo e' una programma funzionante nella maggior parte delle sezioni ma inibito per quanto riguarda la memorizzazione dei propri lavori.
E' comunque utilizzabile per comprenderne ila filosofia di funzionamento e prendere la necessaria pratica prima di acquistare la versione completa.
Si tratta di una procedura in ambiente Windows che permette la progettazione completa di un modello usando elementi commerciali oppure progettati appositamente.
Dispone di un database in cui sono memorizzati i materiali più' comuni ed è anche possibile inserire nuovi materiali e componenti.
Per ogni nuovo elemento occorre definire il peso specifico in volume o superficie in modo da consentire al programma un' approssimata stima delle masse e dei momenti d'inerzia.
L'interfaccia del programma e' immediata ed intuitiva, consente di disegnare graficamente il modello e di vederlo sul monitor in tempo reale, nelle ultime versioni anche in 3D.
Ma le funzioni più utili ed importanti del programma si impiegano solo dopo la progettazione e consistono della simulazione reale del modello in volo.
Come già accennato sopra, i parametri fondamentali sono il baricentro, il centro di pressione, la massa totale e la resistenza aerodinamica.
Rocksim è in grado di estrapolare tutti questi dati dal semplice progetto grafico da noi creato e di simulare il profilo di volo con motori di diverse potenze.
Possiamo perciò ottenere, oltre al CG e il CP, anche la quota raggiunta dal razzo, il tempo di volo per raggiungere l'apogeo, il tempo richiesto per l'espulsione del paracadute, il tempo totale di volo in base al tipo e dimensione del paracadute. ecc.
Il programma offre anche altre raffinatezze quali l'inserimento delle coordinate del poligono di lancio (per compensare la rotazione terrestre), le condizioni meteorologiche quali umidità e vento, l'inclinazione della rampa di lancio ed altri.
I calcoli necessari sono eseguiti interamente dal programma perciò la possibilità di errori e' nulla e i tempi di elaborazione sono molto veloci.
Alcuni parametri sono invece approssimati, soprattutto la stima delle masse, dato altresì estremamente importante.
E' consigliabile perciò considerare indicativa la stima di Rocksim e di inserire manualmente il peso del modello reale ottenuto con una bilancia sufficientemente precisa.
In questo caso si pesa il modello in ordine di volo e perciò completo di paracadute ed eventuali payload, MA SENZA MOTORE, in quanto il programma ricava questo dato dal suo archivio.


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Rampe di lancio