Warum macht die SpaceX Falcon 9-Rakete einen 180-Flip für den Wiedereintritt?

Hobbes hat Ihnen bereits ein Diagramm des Startprofils von Falcon 9 gezeigt, also werde ich das nicht wiederholen.

Hinweis: Diese Antwort ist nicht als vollständige, wissenschaftliche Behandlung des Themas gedacht. Ich vereinfache, beschönige und ignoriere Dinge bewusst und absichtlich an mehreren Stellen, um dies auf eine Weise zu erklären, die dem OP hoffentlich Sinn macht und dennoch einigermaßen korrekt ist.

Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis, dass der Weltraum einfach "hoch oben" ist. Es ist nicht. Sie können ganz einfach die Umlaufbahn erreichen, und wenn Sie nichts anderes tun, werden Sie nach dem Abstellen des Motors einfach wieder auf den Boden fallen. Dies liegt zum Beispiel daran, dass die Anziehungskraft der Erde in der Höhe der Internationalen Raumstation etwa 90 % der Anziehungskraft an der Oberfläche beträgt.

Vielmehr ist der Weltraum (oder genauer gesagt in diesem Fall die Umlaufbahn), wenn Sie sich sehr schnell vorwärts bewegen . Tatsächlich müssen Sie so schnell vorwärts gehen, dass Ihr Vorwärtsimpuls dem durch die Schwerkraft vermittelten Abwärtsimpuls entspricht. Um eine stabile, niedrige (einige hundert Kilometer hohe) Umlaufbahn um die Erde herzustellen, müssen Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 7.000 bis 8.000 Metern pro Sekunde seitwärts bewegen . Dies wird Umlaufgeschwindigkeit genannt, und sein Wert wird geringer, je weiter Sie sich vom Zentralkörper entfernen (weil der Gravitationseinfluss des Zentralkörpers mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt). Wenn Sie Schwierigkeiten haben, sich vorzustellen, wie schnell das ist, bedenken Sie, dass die ISS, die sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn (etwa 400 km Höhe) befindet, die Erde einmal alle 90 Minuten umkreist. Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne funktioniert genauso, nur dass sich die Erde mit etwa 30.000 m/s bewegt, um in etwa 365 Tagen eine ganze Umdrehung um die Sonne zu machen.

Eine Rakete verbraucht also den größten Teil ihrer Energie, um diese Seitwärtsgeschwindigkeit zu erreichen. Es kostet offensichtlich etwas Energie, die richtige Höhe zu erreichen, da Höhe und Geschwindigkeit in dem Studiengebiet, das wir Orbitalmechanik nennen, eng miteinander verbunden sind , aber die überwiegende Mehrheit wird dafür aufgewendet, Vorwärtsgeschwindigkeit zu erreichen, nicht Höhe.

Eine Umlaufbahn hat einen Wert, der als ihre Exzentrizität bekannt ist . Die Exzentrizität einer Umlaufbahn ist ganz einfach ein Wert, der angibt, wie kreisförmig sie ist. Eine perfekt kreisförmige Umlaufbahn hat eine Exzentrizität = 0, und eine elliptische Umlaufbahn hat eine Exzentrizität im Bereich$0 < e < 1$. Es gilt auch zu haben$e \ge 1$, aber wir brauchen diese Fälle hier nicht zu betrachten (das sind Fluchtbahnen, weil sie das Gravitationsfeld des Zentralkörpers verlassen). Perfekt kreisförmige Umlaufbahnen sind ein weitgehend theoretisches Konstrukt, das im wirklichen Leben meistens nicht existiert; Alle praktischen Umlaufbahnen haben mindestens einen kleinen Grad an Exzentrizität ungleich Null.

Für Umlaufbahnen mit sehr geringer Exzentrizität und bei denen die Masse des Objekts in der Umlaufbahn viel kleiner ist als die Masse des Körpers, den es umkreist (z. B. ein Raumschiff in einer kreisförmigen Umlaufbahn um die Erde), können wir die Umlaufzeit abschätzen$T$bezogen auf

Wenn Sie auf der Erde langsamer werden möchten, können Sie einfach aufhören, den Vorwärtsschub anzuwenden. Reibung wird dann schließlich (im Allgemeinen ziemlich bald) dazu führen, dass Ihr Fahrzeug die Vorwärtsgeschwindigkeit verliert, und es wird schließlich auf die eine oder andere Weise zum Stillstand kommen. Dies ist unabhängig von der Bauweise Ihres Fahrzeugs; es könnte ein Auto, ein Fahrrad, ein Flugzeug, ein Helikopter oder ein Rennpferd sein, und das spielt keine Rolle.

Im Weltraum gibt es keine (oder besser gesagt, für alle Absichten und Zwecke und über kurze Zeiträume vernachlässigbare) Reibung. Wenn daher ein Raumfahrzeug seinen Motor abschaltet, wird das Raumfahrzeug einfach in der Umlaufbahn fortfahren, die durch seine aktuelle Geschwindigkeit und aktuelle Position innerhalb des lokalen Gravitationsfelds verursacht wird. Im Gegensatz zu einem Flugzeug kann das Raumschiff buchstäblich in jede Richtung zeigen, und die Orbitalmechanik kümmert sich nicht darum; Im Gegensatz zu einem Flugzeug operiert ein Raumfahrzeug nicht in einem flüssigen Medium. Um umzukehren, seine Fahrtrichtung zu ändern oder im Weltraum anzuhalten, muss ein Raumfahrzeug zusätzlichen Schub in eine andere Richtung als die Fahrtrichtung aufbringen. (Es gibt andere Möglichkeiten, wie z. B. Gravitationsschleudern, aber das ist im Grunde ein Sonderfall davon, und diese gelten sowieso nicht für Starts in der Erdumlaufbahn.)

Ein solcher Schub wird üblicherweise, aber bei weitem nicht immer, retrograd angewendet . Rückläufig ist eines dieser lustigen Wörter in der Raketentechnik und Orbitalmechanik; hier bedeutet es "entgegen der Fahrtrichtung". Bei einem Auto würde es "rückwärts und mit geradeaus gerichteten Rädern" heißen.

Das teilweise oder vollständig rückläufige Aufbringen von Schub hat den Effekt, dass die Vorwärtsgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs verlangsamt wird. Da dies bedeutet, dass es seine aktuelle Umlaufbahn nicht mehr halten kann, beginnt es in Richtung des vorherrschenden Gravitationsfeldes zu fallen, was im Falle einer niedrigen Erdumlaufbahn und des Wiedereintrittsschubs schließlich dazu führt, dass das Raumschiff als wieder in die Erdatmosphäre eintritt es fällt auf die Erde. Bei geringerem Schub oder durch Schub in eine andere Richtung als vollständig rückläufig wird das Raumfahrzeug veranlasst, sich in eine andere Umlaufbahn zu begeben, die den Erdboden oder die Erdatmosphäre schneiden kann oder nicht. Die Geschwindigkeitsänderung, die sich aus diesem Schub ergibt, nennen wir delta-v , vom griechischen Buchstaben$\Delta$was in der Mathematik verwendet wird, um Unterschiede anzuzeigen, und$v$was per Konvention das Symbol ist, das der Geschwindigkeit zugeordnet ist. Die Geschwindigkeitsänderung, die erforderlich ist, um sich in eine andere Umlaufbahn einzupendeln, selbst in eine die Erde kreuzende, ist im Allgemeinen weit geringer als die, die zum Einrichten der ursprünglichen Umlaufbahn erforderlich war. Beispielsweise befand sich das Space Shuttle normalerweise in einer ähnlichen Umlaufbahn wie die ISS, benötigte aber nur etwa 90 m/s Delta-V unter Strom, um zur Landung zu gelangen . Nach der Landung hatte das Space Shuttle nicht genug Motorleistung, um wieder in eine stabile Umlaufbahn um die Erde zu gelangen.

Da die Triebwerke an einem Ende des Raumfahrzeugs befestigt sind und das Raumfahrzeug nach dem Abschalten der Triebwerke im Allgemeinen vorwärts (in Fahrtrichtung) zeigt, muss das Raumfahrzeug umkehren, bevor es einen nennenswerten rückläufigen Schub ausüben kann. Es muss also umkippen. Weil es im Weltraum so extrem wenig Reibung gibt, kann er dies gemächlich tun, ohne seine Fahrtrichtung wirklich stark zu beeinflussen; In einer Atmosphäre würde das Fahrzeug wahrscheinlich aufgrund aerodynamischer Kräfte zu taumeln beginnen und möglicherweise auseinanderbrechen, und Flugzeuge müssen besonders berücksichtigt werden, um ähnliche Manöver durchführen zu können.

Der Rest ist nur ein ausgefeilter Tanz, um das Raumschiff dazu zu bringen, sich langsam und sicher an einem geeigneten Ort auf der Erdoberfläche niederzulassen. Puh. So formuliert klingt es geradezu einfach .

Flugbahn der ersten Stufe von Falcon 9 :

Grafik mit freundlicher Genehmigung von ZLSA Design (zlsa.github.io)

Wie Sie sehen können, dreht sich die Bühne vor dem Boostback-Burn, sodass die Motoren in Fahrtrichtung zeigen. Wenn die Motoren zünden, verlangsamt dies die Bühne.

Diese Flugbahn wird verwendet, wenn die Bühne zum Startplatz zurückkehrt (und für einige frühe Experimente, bei denen das ASDS-Landungsschiff in der Nähe des Startplatzes platziert wurde). Für Landungen unterhalb des ASDS wird die Boostback-Verbrennung übersprungen. Der Booster muss noch umkippen, damit die Triebwerke für die Wiedereintrittsverbrennung in Flugrichtung zeigen.

Eine Rakete startet zunächst gerade nach oben, um aus dem dichten Teil der Atmosphäre herauszukommen, dreht sich aber sehr bald um, um horizontal zu beschleunigen.

Beim Orbit geht es darum, den Planeten (oder die Gravitationsquelle) schnell genug zu umrunden, dass das Gleichgewicht zwischen Zentripetalkraft und Schwerkraft gleich ist.

Die Umlaufgeschwindigkeit ist sehr hoch, in der Größenordnung von 18.000 MPH. Die Nutzlast muss also diese Geschwindigkeit erreichen, um in die Umlaufbahn zu gelangen.

Wenn sich die erste Stufe trennt, befindet sie sich etwa 60 Kilometer über dem Boden und fährt etwa 3000 km/h. (Verschiedene Missionsprofile unterscheiden sich bei SpaceX ein wenig, da eine GTO-Mission von der ersten Stufe an mehr Leistung erfordert als eine leichte LEO-Mission).

Um zu landen, musste die Bühne wieder eintreten, was unten ist, aber auch langsamer werden und diese Geschwindigkeit von 3000 km / h verlieren.

Wenn sie leer ist (der größte Teil des Brennstoffs und des Oxidationsmittels wird verbraucht), fällt die Masse der Stufe von 1,5 Millionen Pfund auf den Bereich von 150 bis 200 KLb. Dadurch ist der Triebwerksschub effektiver bei der Impulsübertragung und wirkt auf eine kleinere Masse. Daher verwenden sie nur drei Motoren, um es zu verlangsamen.

Wenn genügend Spielraum vorhanden ist (die Nutzlast war leicht genug oder die Umlaufbahn war leicht genug), heben sie nicht nur ihre Vorwärtsgeschwindigkeit auf (also den 180-Grad-Kipp), sondern fliegen auch die bereits zurückgelegte Strecke zurück, um wieder an Land in Florida zu landen (Oder möglicherweise Vandenberg oder sogar Boca Chica in der Zukunft).