Indicadores físicos de la nave

El Quijote I con los indicadores físicos activados
(Le he añadido un par de alas para que aparezca el centro de Sustentación)

A la hora de diseñar nuestras naves, es fundamental que tengamos en cuenta algunos principios básicos, como la simetría para que puedan volar adecuadamente.

Esto no es crítico en los cohetes una vez en el espacio, en especial cuando dispongamos de RCS, pero un mal diseño hará ingobernable la nave en la atmósfera, lo que nos impedirá realizar ningún vuelo eficiente.

Para facilitar el trabajo dentro de los centros de ensamblaje, sea de cohetes o de aviones podremos encontrar tres  botones verdes, alineadas verticalmente, en la parte inferior izquierda.  Estos permiten obtener una indicación visual de los puntos clave sobre los que se basará el vuelo del vehículo.

Veremos todos ello usando nuestra nave “Quijote I” como ejemplo.

De arriba a abajo son:

• COM: Centro de masa (Center of Mass) en color amarillo (COM) Center of Mass 
• COT: Centro de empuje (Center of Thrust en color rosa 
• COL: Centro de sustentación (Center of Lift). Este últimos se usa sobre todo para los vehículos atmosféricos (aviones) y será inútil para cohetes.

Estos tres puntos forman las tres propiedades físicas clave que determinan el comportamiento de una nave mientras está en movimiento.

Como principios básicos para los cohetes, los dos primeros deben estar centrados horizontalmente, lo que se puede comprobar mirando del cohete desde arriba.

COM

El centro de masa es un punto, sin vectores añadidos. Es el punto sobre el que actúan la fuerza de empuje y velocidad. Teniendo en cuenta lo anterior es fundamental que el COT este alineado con el COM ya que si no al aplicar motores se producirán giros indeseados.

A veces, en lugar de centro de masa, se utiliza el término centro de gravedad, que describe un concepto similar pero en ningún caso el mismo. Ello es debido a que la gravedad se debilita con la distancia al punto, por lo que una nave larga experimentaría diferente fuerza de gravedad en diferentes puntos a lo largo de su longitud.

En cualquier caso en Kerbal, esta diferencia de gravedad se ignora, por lo que la gravedad es siempre el mismo en todas las partes de una nave, y por lo tanto ambos centros se encuentran en el mismo lugar y pueden considerarse por tanto equivalentes.

Es importante tener en cuenta según separemos etapas y quememos combustible tanto el COM como COT cambiarán dinámicamente. Como esto no es reproducible en el diseño, la única forma de comprobarlo es vaciar los tanques de combustible con el Otón derecho o ir viéndolo en cada etapa del cohete.

Es importante que dado que al ser este el punto central de nuestra nave la colocación de piezas SAS y RCS en este será mucho más eficiente y regular si están colocadas cerca de este punto.

El COM debe estar en el tercio inferior de su cohete o mejor cerca de su COT.  Si está muy por encima, el cohete será “cabezón” y será más difícil de controlar durante el ascenso. 

Hablando de ”Centro de Gravedad” y aunque no está relacionado con el diseño de naves, conviene entender el concepto astronómico de Baricentro, que es el centro de gravedad común de un sistema de cuerpos celestes que muestran atracción mutua.

En el sistema Tierra-Luna, por tener la Tierra una masa 81 veces superior a la de la Luna, el baricentro se encuentra dentro del globo terrestre. En el caso de la Tierra y el Sol, ambos cuerpos giran alrededor del centro exacto de la masa (similar al centro de gravedad) entre ellos. La Tierra y el Sol están “conectados” por la gravedad que los atrae, pero, comparada con el tamaño del Sol, la Tierra es minúscula. Por lo tanto, el baricentro entre la Tierra y el Sol es casi, pero no exactamente, el centro mismo del Sol.

A diferencia de en la vida real en Kerbal el baricentro de dos cuerpos celestes, por ejemplo Kerbin y Mun , está siempre en el centro del cuerpo orbitado, es decir en Kerbin.

COT

El centro de empuje indica el punto medio y la dirección donde el empuje de todos los motores de la nave se concentran. A menudo se llama el vector de empuje, aunque esto puede hacer hincapié en la dirección a expensas de la posición.

Al igual que el COL, el COT es una fuerza que actúa en la nave, por lo que el centro de empuje tiene un vector de flecha que apunta hacia la dirección de empuje, haciendo que esta avance en la dirección contraria por la Tercera Ley de Newton.

La relación entre el COT y COM está trazada a lo largo del eje que discurre a través del centro exacto de cada uno de ellos. Para que la nave pueda avanzar recto a lo largo de esa línea, los puntos de vector de empuje deben indicar la dirección exactamente opuesta.

Si el vector de empuje presenta un ángulo a esa línea, el resultado será un empuje asimétrico que genera par de giro alrededor del COM. Por ejemplo, si los motores de un avión están por encima del COM, es posible que apunten directamente hacia atrás pero la línea COM-COT no; Así, el vector de empuje está inclinado con respecto a la misma y el avión va a caer en picado.

Ese ángulo par a veces puede ser compensado por las superficies de control, RCS, o SAS , pero esto no es eficiente en términos de combustible.

Un cohete con gran desequilibrio por ejemplo, un cohete que pierde uno de varios motores, debido a una avería o desprendimiento imprevisto, podría producir tanto par motor a la máxima aceleración que sus otros controles son demasiado débiles para evitar que gire. Esto significa que va a ser incontrolable. La única solución en estos casos suele ser reducir el empuje de los motores hasta un punto en el que el par de torsión que producen no es mayor que el par de SAS.

COL

El centro de sustentación es el punto en el que la suma total de todas las fuerzas de elevación generadas en la nave, principalmente por las alas, superficies de control, y partes aerodinámicas del fuselaje, equilibra su fuerza, mientras está en la atmósfera.

Cómo se desprende de lo anterior esta fuerza será crítica en el diseño de aviones, no tanto en el de cohetes, si bien es aplicable a estos sobre todo en las etapas iniciales de ascenso.

Al igual que el empuje, la elevación es una fuerza que actúa con su punto de apoyo en el COM. El COL tiene un vector de flecha que apunta hacia la dirección en que esta fuerza empujará a través del COL, y por lo tanto en qué dirección tenderá a subir, guiñar o rotar la nave.

Esta fuerza se vuelve más fuerte a mayor velocidad y cuanta mayor densidad tiene la atmósfera alrededor de ella.

En función de las características de vuelo deseadas el COL deberá colocarse de forma diferente, teniendo en cuenta que:

• COL por delante de COM → La nave gira o se vuelve incontrolable
• COL dentro COM → excesivamente fácil de manejar; las necesidades de corrección de rumbo son constante
• COL cerca detrás de COM → Más maniobrable
• COL más atrás de COM → Más estables
• COL muy por detrás de COM → Muy difícil de corregir el rumbo; propensos a voltear hacia arriba o picado

El COM se desplazará según se consume el combustible o se desprenden etapas, lo que puede alterar gravemente la relación entre la COM y COL, y por tanto las características de vuelo.

Cómo ejemplo podéis ver como en la imagen inicial del post al tratarse de un cohete y estar este en posición vertical el centro de sustentación no indic ningún vector de fuerza ya que estas no generar dicha fuerza.  Si el cohete no tiene alas, ni siquiera se visualiza el centro de sustentación.