Warum sind Raketen zylindrisch?

Was sind die Luftwiderstandsbeiwerte für einen Zylinder, einen Keil usw.?

Ich weiß, dass es andere Gründe dafür gibt, warum eine Rakete zylindrisch ist, die nichts mit der Aerodynamik zu tun haben, wie z. B. Effizienz beim Mischen der Treibmittel usw. oder ist das der einzige Grund, warum sie zylindrisch sind?

Oder hat es mehr mit der Logistik zu tun oder mit beidem? Wenn es daran liegt, dass beide Dinge wahr sind, dann werden wir mit dem 3D-Druck usw., der die Kosten für den Bau anderer Formen senkt, wahrscheinlich bald eine keilförmige Rakete sehen?

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Leeren Sie eine unbeschädigte Getränkedose und treten Sie dann darauf. Wenn Sie nicht sehr schwer sind, wird es Ihr Gewicht tragen. Nicht schlecht für etwas, das nur 15 Gramm wiegt! Raketen nutzen die gleichen Eigenschaften eines Zylinders, um ihren Körper so leicht wie möglich zu machen.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass die Zukunft Raketen mit quadratischer Grundfläche und spitzer Spitze hervorbringen wird, die Kosten und Nutzbarkeit werden eines Tages mehr ins Gewicht fallen als die erwähnten Probleme mit Stabilität oder Stärke anderer Formen. Sie können den Platz im Inneren nicht nur viel effizienter nutzen, sondern auch viel einfacher und in kleineren Anlagen produzieren. Besonders wenn Sie sich für eine Massenproduktion entscheiden und ich denke und hoffe, dass eines Tages Raketen in Massenproduktion hergestellt werden. Die Booster bleiben jedoch rund.
@GdD, ... treten Sie sehr vorsichtig darauf! Ich habe dieses Experiment gemacht, aber es ist schwierig. Wenn der Druck Ihres Fußes nicht gleichmäßig verteilt wird, knickt die Dose ein.

Antworten (4)

Raketen sind aus dem gleichen Grund zylindrisch, aus dem Maissilos zylindrisch sind: Ein Kreis hat die größte Fläche gegenüber dem Umfang jeder Form und bietet auch maximale Festigkeit durch Innendruck. Das bedeutet, dass Sie Gewicht für die Wände einer Rakete sparen können, wenn sie zylindrisch ist.

Ein Zylinder ist nicht die absolut beste aerodynamische Form, wie der Abschnitt Luftwiderstandsbeiwert dieses Dokuments zeigt (siehe auch Sears-Haack-Körper ), aber die Aerodynamik ist sicherlich nicht die einzige Überlegung. Andererseits ist die Nase einer Rakete aus rein aerodynamischen Gründen meist ein Kegel.

Ja, ich habe dieses Dokument gesehen, das Problem ist, dass sie den Luftwiderstandsbeiwert des Keils stromabwärts überprüfen, während ich ihn stromaufwärts wissen möchte . Der Rest sind jedoch einige gute Punkte.
Ich habe eine andere ähnliche Frage verlinkt, die einige Antworten mehr in Bezug auf die Aerodynamik liefert. Sie können sich auch die Wikipedia-Seite zum Sears-Haack-Körper ansehen
@Joze: Was meinst du damit? Der Widerstandsbeiwert ist ein Formfaktor, der den Unterschied in der Widerstandskraft für Objekte mit demselben Querschnitt erklärt. Der Luftwiderstandsbeiwert gilt für die gesamte Form, sowohl den "stromaufwärtigen" (vorderen) als auch den "stromabwärtigen" (hinteren) Teil.
Interessant ist, darüber nachzudenken, warum Raketen eher länger sind als sie sein müssen, wenn sie das Gewicht / Material der Rakete selbst ohne Treibstoff optimieren würden. Ich denke (ohne zu rechnen), dass das Minimum an Material verwendet wird, wenn es um die Form einer Bierdose geht. Was besagt, dass es einen Kompromiss zwischen Gewicht und Luftwiderstand geben muss, nein?
Ich kann nicht sehen, wie sich dieses Dokument auf die Frage oder die Antwort bezieht. Der Querschnitt der Objekte ist nicht angegeben, daher können Sie nicht darauf schließen, dass Zylinder von irgendeiner anderen Form etwas schlechter oder besser sind.
Ist es egal, in welche Richtung der Widerstand geht? Beim Prisma (Keilform) geht die breite Seite zuerst. Würde es einen Unterschied geben, wenn die schmale Seite (spitzes Ende) zuerst geht?
@jamesqf Das ist ein guter Punkt. Die Antworten auf diese Frage enthalten einige interessante Punkte darüber, warum sie groß und dünn sind. Es gibt sicherlich einen Kompromiss zugunsten der Aerodynamik ... ein Pfeil würde nicht sehr weit fliegen, wenn er mehr die Form einer Bierdose hätte
@VladimirCravero Dieses Dokument ist nicht das einfachste / direkteste, aber beachten Sie Folgendes: Eine Kugel hat einen Cd von 0,295, ein Tragflügel hat einen Cd von 0,045. Das ist fast eine Größenordnung anders. Eine zylindrische Rakete ähnelt einer Kugel. Ein Sears-Haack-Körper ähnelt einem Tragflügel. Der Unterschied zwischen diesen wird nicht ganz so drastisch sein, aber die Rakete wird sicherlich einen höheren Luftwiderstandsbeiwert haben .
Es ist nicht das einfachste? Es gibt einige Kinderzeichnungen und eine schlecht formatierte Formel. Es ist mir egal, ob das auf der NASA-Seite ist, es ist noch schlechter als die Wiki-Seite. Die Frage bezieht sich auf den Querschnitt, nicht auf die Spitze, aber ich wette, dass sich die Geschoss-Cd stark ändern kann, wenn Sie sie mit etwas anderem als einer halben Kugel kippen. Der erste Teil Ihrer Antwort, ich kaufe es und ich stimme ihm zu, der zweite? Das ist nur eine Vermutung, und Sie können in der Strömungsdynamik nicht raten. Ich bin kein Experte, aber ich verstehe die richtigen Beweise, und Sie haben keine geliefert.
@VladimirCravero Okay, gut. Ich habe meine Antwort aktualisiert, um einen Link aufzunehmen, der zeigt, was ich besser sage. Ich meinte nicht, dass das NASA-Dokument zu technisch ist, nur dass es nicht sehr klar zeigt, was ich sage
Es ist erwähnenswert, dass ein Saturn-V-Start nur ein halbes Prozent seines Gesamtimpulses durch atmosphärischen Widerstand verliert. Es gibt nicht mehr viel Drag-Optimierung zu tun.

Es ist eine Kombination von Faktoren. Grundsätzlich sind Zylinder in großen Größen einfach herzustellen, haben einen geringen Luftwiderstand und funktionieren insgesamt gut. Der Großteil des Widerstands wird von den oberen oder unteren Enden kommen. Das untere Ende enthält die Motoren, die besondere Formanforderungen haben. Die Oberseite enthält typischerweise die Nutzlast, die ebenfalls besondere Anforderungen hat. Der Tank muss eine Form haben, die mit beiden funktioniert. Ein Zylinder ist nahezu optimal und viel einfacher herzustellen als die Luftleitblechform, die optimal wäre.

Was den 3D-Druck betrifft, so sind Raketen groß genug, wo es sehr schwierig wäre, so etwas herzustellen.

Ich frage mich, welche Art von Material mit einem 3D-Drucker verwendet werden könnte, der auch die Bewegung durch die Atmosphäre mit etwa einem Kilometer pro Sekunde unterstützt (auch wenn wir nur den Aufstieg in Betracht ziehen). Das ist Mach 3, geben oder nehmen, und Raumschiffe erreichen das nach in der Größenordnung von Sekunden ... egal, der Punkt des maximalen Q.
Titan kann heutzutage in 3D gedruckt werden. Und ich vermute, dass während des Aufstiegs die in niedrigen Höhen verbrachte Zeit zu kurz ist, als dass eine signifikante Erwärmung auftreten könnte, daher keine aufwändigen Hitzeschilde an Nasenkegeln.
Es ist nicht die Form, die schwierig ist, sondern die Größe. Nur sehr wenige 3-D-Drucker könnten überhaupt eine raketengroße Form drucken, und es würde lange dauern.
Ich nehme an, Sie hätten sowieso einen benutzerdefinierten 3D-Drucker für Ihre Raketen gebaut, selbst wenn die im Handel erhältlichen groß genug wären. Die Qualitätskontrolle für Raketen ist weit überdurchschnittlich, daher möchten Sie von Ihrem Drucker eine Rückmeldung haben, ob der Druck reibungslos geklappt hat und wenn nicht, welche Stellen überprüft werden sollten.

Raketen fliegen meist mit Überschallgeschwindigkeit. Unter diesen Bedingungen ist die Flächenregel (konstante Querschnittsfläche oder zumindest sanft variierend) die wichtigste Determinante des Luftwiderstands. Ein Zylinder hat trivialerweise einen konstanten Querschnitt, und der Nasenkonus dient als fließender Übergang.

Natürlich könnte ein langer rechteckiger Kasten auch einen konstanten Querschnitt haben, aber an dieser Stelle erklärt neelsgs Antwort bereits, warum ein Zylinder ideal ist.

Ein weiteres Problem ist, dass die Massenverteilung ein unglaublich kritischer Faktor in der Raumfahrt ist, da jeder Schub, der nicht so direkt durch den Massenmittelpunkt geht, wie es menschlich möglich ist, eine Rotation verursachen wird. Sie werden nicht viel symmetrischer als ein Zylinder, es sei denn, Sie haben die Möglichkeit, eine perfekte Kugel zu machen ...
@Shadur: Das ist weniger wichtig als Sie denken - der Schub muss unabhängig davon entlang der z-Achse erfolgen, und wenn es sich dann um eine rechteckige Form handelt, funktioniert dies auch.

Die Frage wurde wahrscheinlich ziemlich gut beantwortet, aber ich möchte ein paar Dinge hervorheben.

Einer ist, dass Druckbehälter rund sein wollen. Denken Sie daran, was passiert, wenn Sie den Orangensaftkarton mit dem Deckel weglassen – er wird warm und wölbt sich. Das ist eher eine Sache für Feststoffraketen, wo das Ganze im Grunde eine Druckkammer ist.

Das andere ist, dass der Windwiderstand wichtig ist. Es gibt eine Sache namens Max Q, das ist der maximale dynamische Druck (Windwiderstand) auf der Rakete, der irgendwo zwischen dem Ausruhen auf der Startrampe und dem Fliegen in einer luftlosen Umlaufbahn auftritt. Es ist ein Punkt, an dem strukturelles Versagen auftreten kann, und Raketen werden während dieser Zeit aus Sicherheitsgründen oft gedrosselt. Es ist also nicht nur eine Sache der Kraftstoffeffizienz.

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