Warum können Feststoffraketen sowohl die dünnsten als auch die kugelförmigsten Trägerraketen sein, während Flüssigtreibstoffraketen eine begrenztere Auswahl an Seitenverhältnissen haben?

Frage: Warum können Feststoffraketen sowohl die dünnsten als auch die kugelförmigsten Trägerraketen sein, während Flüssigtreibstoffraketen einen begrenzteren Bereich von Seitenverhältnissen haben? Gibt es grundlegende technische Prinzipien? Einfache Physik? Oder steckt der Teufel im Detail?

Beweis für Feststoffraketen-Trägerrakete "noodlicity":

Diese Antwort auf die orbitalste Trägerrakete mit dem höchsten Seitenverhältnis aller Zeiten?

Gefahr Nudel

Späher X-2

Nachweis der Sphärizität von Feststoffraketen-Trägerraketen:

Wie verhalten sich kugelförmige SRBs im Vergleich zu langen dünnen? Wie sehen ihre Schubkurven aus?

Darstellung eines Konzepts für ein zweistufiges Mars-Aufstiegsfahrzeug mit Feststoffbrennstoff, NASA/MSFC

Die erste Stufe dieser Mars-Trägerrakete ist ziemlich gedrungen und so kugelförmig wie eine kugelförmige Kuh . Quelle: Spaceflight Now Die NASA schränkt das Design für Raketen ein, um Proben vom Mars zu starten

Dieses Diagramm veranschaulicht ein Konzept für ein zweistufiges Mars-Aufstiegsfahrzeug mit Feststoffbrennstoff. Bildnachweis: NASA/MSFC

Gegenbeweis: gedrungene flüssige Trägerraketen

  • SERV "VTOVL-Orbital-Trägerrakete. Chryslers Vorschlag für ein ballistisches einstufiges alternatives Shuttle in die Umlaufbahn vom Juni 1971. Dies war die detaillierteste Designstudie, die jemals an einer VTOVL-SSTO-Trägerrakete durchgeführt wurde. Die 2.040 Tonnen schwere SERV wurde entwickelt, um eine Nutzlast von 53 Tonnen zu liefern in einer geräumigen Nutzlastbucht von 7 mx 18 m zu umkreisen."
  • Apollo-Mondlandefähre
Gegenbeispiel für Flüssigbrennstoff: astronautix.com/s/serv.html
@OrganicMarble, es ist kein wirkliches Gegenbeispiel, bis wir die Seitenverhältnisse für die Trägerraketen vergleichen, aber ich werde meiner Frage einen Vorbehalt hinzufügen. Danke!
@RussellBorogove dito
@RussellBorogove SERV war ein Designkonzept aus dem Jahr 1971. Das Mars Ascent Vehicle wird in einem Schiff "zum Mars transportiert". Zugegeben, es wird ein Raumschiff und kein Hochseeschiff sein, aber es wird auf eine Weise dorthin transportiert, die keinen Einfluss auf sein Design hat, und auf eine Weise gestartet, die nichts mit der Art und Weise zu tun hat, wie es dorthin gelangt ist.
@RussellBorogove, da sind wir uns einig, aber ich bin mir nicht sicher, worum es genau geht. Gibt es ein Problem mit der Frage, die ich hier ansprechen muss, oder ist dies nur eine hilfreiche Erkenntnis?
@RussellBorogove Ich sagte: "Es ist kein wirkliches Gegenbeispiel , bis wir die Seitenverhältnisse für die Trägerraketen vergleichen ... Bis dahin sind sie möglicherweise Gegenbeispiele. In der Frage habe ich sie also eher als "Gegenbeweis" als als Gegenbeispiele bezeichnet und den Weg geebnet für deine tolle Antwort!
(Oh, hier ist die Seeschifffahrtsverbindung, nach der ich gesucht habe: Welche Schiffsroute nahm die Saturn S-II von Kalifornien nach Florida? )
Bezieht sich das auf Druckbehälter? Gefäße, die für die Aufnahme von unter Druck stehendem Inhalt ausgelegt sind, sind fast zwangsläufig gekrümmt: Kugel, Zylinder oder Torus. Vielleicht erlauben feste Brennstoffe mehr Freiheit?
Ich denke, Sie müssen überlegen, wie der Treibstoff in einer Feststoffrakete verbrennt. So wie ich es verstehe (ich bin sicherlich kein Experte), ist der Kraftstoff intern geformt, um die Verbrennungsrate und damit den Schub zu steuern. Wahrscheinlich ist dies in einem langen Zylinder einfacher als in einer Kugel.
Der feste Raketenkörper ist im Wesentlichen auch die Brennkammer, daher muss er sehr stark sein, daher ist ein größeres Seitenverhältnis strukturell keine so große Herausforderung.

Antworten (1)

Das gedrungene Ende des Spektrums hat wenig mit Feststoffen oder Flüssigkeiten zu tun und alles mit Aerodynamik. Sphärische Tanks sind am gewichtseffizientesten, daher würden Sie gedrungene Stufen in Fällen erwarten, in denen die Aerodynamik nicht dominiert, wie z der Apollo-LM . Da bei einem Feststoffraketenmotor Brennstoff und Oxidationsmittel in einem einzigen Behälter gemischt sind, sind kugelförmige Stufen nicht unbekannt, aber einige Flüssigkeitsstufen haben Seite an Seite (Apollo LM, Fregat) oder sogar verschachtelte (Bris - M ) Tanks insgesamt gedrungener als kugelförmiges Seitenverhältnis.

Am dünnen Ende des Spektrums beginnen Höhenforschungsraketen oft mit einem höheren Schub-zu-Gewicht-Verhältnis als Orbitalraketen, und Feststoffe verbrennen Masse schneller als Flüssigkeiten (aufgrund ihres schlechteren spezifischen Impulses), also insbesondere Höhenforschungsraketen mit Feststoffmotor wird höhere Geschwindigkeiten in geringeren Höhen erreichen, was bedeutet, dass der Kompromiss zwischen dünnen Designs mit geringem Luftwiderstand und gedrungenen masseeffizienten Designs etwas anders ist.

Feststoffe können wahrscheinlich zu etwas dünneren Extremen gebaut werden als Flüssigkeiten, da SRM-Gehäuse im Allgemeinen dicker sind als Flüssigkraftstofftanks und das Kraftstoffkorn eine gewisse strukturelle Festigkeit bieten kann.

+1für eine kurze und durchdachte Antwort! Dünnere Tanks haben auch mehr Oberfläche/Volumen und benötigen daher entweder mehr Isolierung (was die Dicke zurück erhöht) für Kryotreibstoffe oder akkumulieren schneller Eis-/Raketenmasse oder benötigen aggressivere Kühlmechanismen für lange Startfenster.
Da fast die gesamte Haut einer Feststoffrakete aus einer Brennkammer besteht, muss sie außerdem erheblich stärker sein als die Tanks einer Rakete mit Flüssigbrennstoff. Dies ist zwar eine Haftung in Bezug auf die Trockenmasse; Dies bedeutet, dass die Rakete selbst stärker ist und daher differenziellen Seitenwinden zwischen Ober- und Unterseite besser widerstehen kann, ohne zu brechen.
@DanIsFiddlingByFirelight Ich denke, Sie können das als separate Antwort aufschlüsseln, im Grunde sind die festen Raketen steife, ungekochte Nudeln , während ihre Gegenstücke mit flüssigem Brennstoff al dente sind .
Luft-Luft-Raketen sind auch im Verhältnis zu ihrer Länge oft sehr dünn. Technisch immer noch eine Rakete, nur die meiste Zeit nur horizontal ausgerichtet. Da die einzige "Fracht", die sie außer ihrem eigenen Treibstoff tragen, eine Sprengladung ist, gibt es keinen Grund, sie besonders dick zu machen, und allen Grund, sie dünn zu halten, um das Flugzeug vor dem Start nicht zu stark zu belasten .
Warum können Feststoffraketen sowohl die dünnsten als auch die kugelförmigsten Trägerraketen sein, während Flüssigtreibstoffraketen eine begrenztere Auswahl an Seitenverhältnissen haben?
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