En este primer artículo sobre cohetería experimental, pensé mucho sobre por dónde comenzar. ¿Cuál es el concepto o los conceptos básicos?
Pues ninguno puede aislarse de forma completa, ya sea porque esta relacionado a otros fenómenos, o por que cada mínimo tema dentro de este mundo, es fundamental para que el «todo» logre funcionar.
Así que sin más, decidí comenzar por algo bastante intuitivo y divertido:
LOS MOVIMIENTOS BÁSICOS DE UN COHETE
Estos movimientos básicos que veremos hoy son tres, y están en todos los cohetes y todos (desde las empresas gigantes) hasta este humilde aficionado, calculamos los mismos.
Antes de seguir debes entender un concepto que puede ser contraintuitivo: nosotros podemos avanzar en una dirección, sin apuntar a esa dirección. El eje de movimiento de la foto explica eso, el cohete avanza hacia la dirección hacia donde el eje de movimieto apunta, pero, la punta del cohete no está apuntando hacía esa dirección de forma alineada, sino que avanza casi de costado o en forma diagonal.
Como puedes ver en imagen, nos encontramos con distintos ángulos, estos angulos tienen relacion con los 3 movimientos que vamos a conocer:
Cabeceo (pitch)
Guiñada (yaw)
Giro sobre eje (roll)
Y un fenómeno de efecto veleta (fin stabilisation).
Un movimiento de guiñada compuesto por dos planos
Un cohete puede girar en varios planos diferentes a la vez. Estos movimientos, al combinarse, generan una trayectoria más compleja que una simple rotación en un único plano.
Una forma de interpretar este comportamiento es como un movimiento similar al de un «sacacorchos», conocido también como guiñada cónica.
Desde este punto de vista, la trayectoria puede entenderse como la composición de dos movimientos armónicos simples de guiñada, cada uno definido en un plano distinto. La combinación de ambos produce un movimiento espacial que no puede describirse únicamente mediante una rotación plana.
Definición de los ángulos
En la figura se define un eje de referencia. Denotamos:
θ (theta): ángulo entre el eje de referencia y el eje longitudinal del cohete. Este corresponde al ángulo de cabeceo (pitch angle).
φ (phi): ángulo entre el eje de referencia y la dirección instantánea de movimiento del cohete. Puede interpretarse como el ángulo de la trayectoria de vuelo (flight path angle).
α (alfa): ángulo entre el eje longitudinal del cohete y la dirección de movimiento. Es el ángulo de ataque.
De esta manera,
\alpha = \theta - \phi
donde:
θ representa la orientación del vehículo.
φ representa la dirección real de la trayectoria.
α mide la diferencia entre ambas direcciones, es decir, el ángulo de ataque.
Interpretación
Mientras el cohete busca que el ángulo de ataque tienda a cero, puede producir simultáneamente una rotación sobre su eje longitudinal y una trayectoria helicoidal amortiguada alrededor de la dirección de vuelo. Desde esta perspectiva, la guiñada cónica puede analizarse como la superposición de movimientos simples definidos sobre distintos planos, ofreciendo una descripción geométrica intuitiva del fenómeno.
Siendo más explícitos…
Esto de los movimientos es como una dinámica de estabilización.
Sería algo así:
Cabeceo: el sistema orienta el cohete hasta que el eje longitudinal coincide con la dirección de movimiento. El objetivo es que α → 0. (O no siempre, ya que la cuestión no funcionaria aerodinámicamente, pero por el momento entendemos así para lograr comprenderlo).
Rotación sobre el eje longitudinal (roll): el cohete comienza a girar sobre sí mismo.
Trayectoria helicoidal amortiguada: debido a pequeñas correcciones, flexiones, viento o asimetrías, el centro de masa describe una espiral alrededor de la trayectoria ideal. Si el sistema es estable, esa espiral se hace cada vez más pequeña hasta desaparecer, y aunque parezca complicar un poco más las cosas, esa espiral se ejecuta dentro de una forma cónica.
Pero, piénsalo, imagina un cono, el movimiento en la punta es casi inexistente, y en la base de la figura puede darse un gran diámetro, que poco a poco se armóniza, es decir, deja de hacerse.