Strukturelle Belastungen der Oberstufe beim Aufstieg?

Bei einer anderen Frage kam folgendes heraus:

Wenn zum Beispiel eine Falcon 9 20 Tonnen Treibstoff abfeuert, um in LEO anzudocken, wie kann dann dieselbe Oberstufe verwendet werden, um 40 Tonnen Treibstoff in dieselbe Umlaufbahn zu bringen? Muss es nicht größer und vielleicht stabiler sein, um die viel schwerere Nutzlast zu tragen?

Und mir wurde klar, dass ich mir nicht sicher bin, wie die strukturelle Belastung der oberen Bühnen tatsächlich funktioniert.

Auf dem Boden sitzend trägt die Struktur der zweiten Stufe das Gewicht dieser 20 oder 40 Tonnen Nutzlast unter der Schwerkraft der Erde, die wir als Kraft in Newton ausdrücken können.

Einmal aus der Atmosphäre und inszeniert, ist die operative Kraft jedoch die des Triebwerks der zweiten Stufe – etwa 95 Tonnen für den Merlin Vac bei Spitzenschub – ist das also die Kraft auf die Struktur der zweiten Stufe? Oder muss die Kraft unter der Annahme, dass die Bühne plus Nutzlast zusammen gleichmäßig beschleunigt wird, zwischen der Bühnenmasse und der Nutzlastmasse anteilig berechnet werden? Bedeutet dies, dass das effektive Gewicht der Nutzlast mit zunehmendem Treibstoffverbrauch zunimmt?

Wie würde die strukturelle Belastung der zweiten Stufe während des frühen Teils des Aufstiegs berechnet, wenn der Luftwiderstand dem Schub der Triebwerke der ersten Stufe entgegenwirkt?

Das alte Sprichwort besagt, dass die 90/10-Regel gilt: 90 % des Gewichts einer Rakete werden benötigt, um 10 % des Gesamtgewichts in den Orbit zu tragen. Dazu gehört die gesamte Struktur, damit es unterwegs nicht auseinanderfällt, sowie der Kraftstoff, um es dorthin zu bringen.

Antworten (1)

Bearbeiten: Diese Antwort basierte auf einer Fehlinterpretation der Frage. Habe es gelassen, da es Interesse geweckt hat.

Ich kann allgemein erklären, wie das bei Shuttle gemacht wurde. Aus der Teilnahme an interorganisationalen Arbeitsgruppensitzungen kann ich sagen, dass derselbe allgemeine Prozess für Einweg-Trägerraketen durchgeführt wird, wenn auch mit neuerer Technologie.

Anstatt zu versuchen, strukturelle Lasten in Echtzeit zu berechnen (was mit der Technologie der 70er/80er Jahre als unpraktisch angesehen wurde), wurden für das Shuttle im Voraus Beschränkungen generiert. Dann wurden unter Verwendung der Masseneigenschaften, Drosselklappeneinstellungen, SRB-Volumentemperaturen, Winde usw. des Tages am Tag des Starts simulierte Trajektorien gefahren und Lenkparameter generiert, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug innerhalb der Einschränkungen bleibt.

Viele Einschränkungen wurden überprüft, aber diejenigen, die sich auf strukturelle Belastungen beziehen, waren die Q-Ebenen oder Squatcheloide, eine Reihe dreidimensionaler Volumen in Alpha, Beta und q (Anstellwinkel, Schiebewinkel und dynamischer Druck), indiziert nach Mach-Zahl .

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Wenn die verteilte Flugbahn zu allen Zeiten innerhalb der Q-Ebenen lag, wurde die Prüfung bestanden.

Weitere Einschränkungen waren die Strukturbelastungsindikatoren, "Berechnungen, die von strukturanalytischen Grenzen mit höherer Genauigkeit abgeleitet wurden, um die Strukturbelastungen von Elementen zu bestimmen". Für jeden Versuchsverlauf wurden 42 strukturelle Belastungsindikatoren ausgewertet. Alle mussten eine positive Marge haben, um die Prüfung zu bestehen.

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Es wurden viele andere Überprüfungen durchgeführt, bevor ein Trajektorienentwurf akzeptiert wurde, aber dies sind die wichtigsten, die sich mit strukturellen Belastungen befassen.

Für weitere Einzelheiten schlage ich vor, die sehr zugänglichen und interessanten Informationen unter diesen beiden Links zu lesen.

Space Shuttle Day of Launch Trajectory Design Operations – technisches Papier Powerpoint-Präsentation mit demselben Material , aber besserer Grafik

Interessant, aber ich frage mehr nach der idealisierten Physik - wie funktioniert die Mathematik unter der Annahme, dass Nutzlast und erste Stufe beide kugelförmige Kühe mit gleichmäßiger Dichte, Null AoA, konstanter Schubkraft usw. sind?
Es tut uns leid. Ich habe versucht, diese Frage zu beantworten: "Wie würde die strukturelle Belastung der zweiten Stufe während des Aufstiegs berechnet werden?". Ich habe mit "während des Aufstiegs" in Echtzeit gemeint. Ich sehe jetzt, dass Sie wirklich fragen, "wie werden strukturelle Aufstiegslasten berechnet?"
Erwischt. Ich habe diesen Satz neu angeordnet, um mit dieser Mehrdeutigkeit zu helfen.
Strukturelle Belastungen der Oberstufe beim Aufstieg?
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