Warum sind Raumschiffkapseln kegelstumpfförmig?

Warum haben Raumschiffe eine Kegelstumpfform wie zB die Druckkapsel des SpaceX Dragon auf dem Bild unten?

   Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich denke, dahinter steckt ein technisches Zeug, das mit der Aerodynamik während der Landung zu tun hat. Kann jemand erklären, warum das so ist?

Tatsächlich gab es vor einem Jahr eine Frage zur Form der Sojus space.stackexchange.com/questions/3221/…
@oefe - stimmt. Ich habe diesen Kommentar jetzt gelöscht, aber diese Frage war auf jeden Fall viel spezifischer und behandelte nicht viel darüber, wie der Wiedereintritt im Allgemeinen funktioniert.

Antworten (1)

Die Kapseln, die wieder in die Atmosphäre eintreten sollen, müssen bis zum Boden von etwa 8 km/s auf Null abgebremst werden. Sie verwenden dafür eigentlich nicht den Teil, der wie ein Kegel aussieht. Sie alle haben flache Böden, die sie dazu in den Wind stellen. Wenn Sie die Dragon-Kapsel von Ihrem Link mit einer Sojus - Kapsel, der Orion - Kapsel oder dem Space Shuttle vergleichen , sind ihre Formen sehr unterschiedlich, aber sie alle haben einen spitzeren Teil (wenn auch nicht sehr viel, im Fall der Sojus) und einen Teil, der flach ist. Das spitzere Bit wird beim Start verwendet, um die Reibung beim Durchgang durch die Atmosphäre zu verringern (die Sojus wird in der Mitte der Rakete gestartet und benötigt daher keinen Punkt). Der flache Teil wird verwendet, um zurückzukommen.

stumpfe Formen von Wiedereintrittsfahrzeugen

Die schwarzen Linien im Bild zeigen, wo die Front der Druckwelle auftritt, wenn diese Formen mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Luft fliegen. Die Druckwelle verlangsamt die Kapsel und Sie möchten, dass sie so groß wie möglich ist. Eine Kugel ist eigentlich die Form, die die größte Druckwelle erzeugt – tatsächlich funktioniert sie zu gut, um auf einer Kapsel mit Menschen im Inneren verwendet zu werden. Es verlangsamt sich so schnell, dass sie sich erdrückt fühlen. Alle verwendeten Formen sind teilweise kugelförmig, auf dem dem Wind zugewandten Teil verjüngen sie sich dahinter, aber wie viel ist optional. Das Space Shuttle war eine Ausnahme – es hatte nur eine sehr leichte Krümmung an der Unterseite, weil das am besten war, wenn man das Gesamtdesign betrachtete. Es funktionierte, weil die Oberfläche, die es zum Verlangsamen hatte, im Vergleich zur Größe des gesamten Raumfahrzeugs so groß war.

Beachten Sie, dass die Druckwelle das Fahrzeug nicht berührt, sondern sich davor bewegt. Das Fahrzeug bewegt sich so schnell, dass vor ihm eine Luftblase eingeschlossen ist, die zwischen der Außenfläche der Druckwelle und dem Raumfahrzeug zusammengedrückt wird. Diese Blase ist auch sehr wichtig. Wenn Luft komprimiert wird, erwärmt sie sich. Je schneller es komprimiert wird, desto mehr erwärmt es sich. Die schnellste Kompression findet auf der Vorderseite der Druckwelle statt, und daher ist dieser Teil am heißesten. Die Luftblase wird auch sehr heiß, aber nicht so heiß, sodass sie das Raumschiff vor der schlimmsten Hitze schützt.

Und sehen Sie den verschwommenen Abschnitt hinter dem Fahrzeug? Das ist ein Bereich, in dem die Luft dünner ist, weil das Raumschiff ein Loch durch die Luft stanzt und es einige Zeit dauert, bis sich dieses Loch wieder füllt, nachdem es vorbeigeflogen ist. Das erzeugt einen Sog auf der Rückseite des Fahrzeugs und verlangsamt es auch.

Betreff: "Das erzeugt einen Sog auf der Rückseite des Fahrzeugs, und das verlangsamt es auch." Ich hätte gedacht, dass ein spitzes Ende für die Rückseite der Kapsel am besten wäre, um den Luftwiderstand oder die abgewinkelten Flossen (wie ein Wirbelgenerator in Flugzeugen) zu reduzieren, aber dies zeigt etwas anderes, und tatsächlich möchten Sie den Luftwiderstand während des Abstiegs durch Sog. Vielleicht könnte ein konkaves Ende noch mehr Saugwiderstand erzeugen.
Saugwiderstand und "Saugziehen" gibt es eigentlich nicht; Was Sie meinen, ist, dass dem Luftdruck an der Vorderseite des Fahrzeugs keine Kraft aus dem nahen Vakuum dahinter entgegensteht - das heißt, die Druckwelle hat eine stärkere Wirkung . In atmosphärischen Wiedereintrittshöhen ist der Luftdruck nicht hoch genug, um dies zu einem wichtigen Faktor zu machen.
@Scott - ich glaube nicht, dass es auf so einem kleinen Gebiet viel bewirken würde. Das Volumen, in das die Luft zurückströmt, wäre sehr ähnlich, und Sie hätten den Raum aus dem Inneren der Kapsel verloren, wo es ohnehin schon eng ist.
@imallett - Lesen Sie 'erzeugt Saugen, Ziehen ...' Saugen ist nur die Erzeugung eines Teilvakuums, der Begriff trifft zu. Es bleibt ein Faktor, bis die Fallschirme tief in der Atmosphäre eingesetzt werden.
@briligg suctionist zunächst kein wissenschaftlicher Begriff. Was ich sagen will, ist, dass die fiktive Rückwärtskraft, die durch das Fehlen einer Vorwärtsdruckkraft entsteht, bereits in Ihrer ansonsten korrekten Beschreibung des Mechanismus der Druckwellenverzögerung berücksichtigt ist. Es gibt keine zusätzliche Kraft, die zusätzlich zum Druck der Druckwelle nach hinten "zieht". Mein zweiter Teil war nur eine Anmerkung, dass dieser Effekt über 30 km gering ist, wo die Verzögerung am höchsten ist.
@imallett - Ich weiß nicht, ob die Leute so verwirrt sind, dass Saugen eher eine Kraft als ein großer Druckunterschied ist, der durch die Gesamtbewegung in einem System erzeugt wird. Es ist so bequem, darüber zu sprechen, als ob es so wäre - Systeme reagieren in dieser Situation wirklich genau so, als ob etwas sie in Richtung des Teilvakuums ziehen würde. Dies ist eine einleitende Antwort, und mein Hauptanliegen ist, dass sie klar ist. Die Darstellungsweise erklärt die Trails in der Abbildung in kurzen Worten aus der Alltagserfahrung.
Kugeln sind auch weniger als ideal, weil sie ein L/D-Verhältnis von Null haben, was bedeutet, dass alle Einträge ballistisch sind, ohne nennenswerte Manövrierfähigkeit oder Lenkung. Konische Kapseln sind normalerweise so gewichtet, dass sie einen leichten Anstellwinkel haben, im Gegensatz zu dem, was auf dem Bild gezeigt wird. Dieser Anstellwinkel stellt eine Auftriebskraft bereit, die es ermöglicht, den Wiedereintritt bis zu einem gewissen Grad durch Rollen der Kapsel zu steuern. Apollo nutzte dies, um einen Sprungprofil-Wiedereintritt zu erstellen, um Spitzenerwärmung und g-Lasten zu verringern. Es bietet auch eine kleine Menge an Crossrange-Steuerung.
Können Sie die Stabilität dieser Formen analysieren oder Referenzen für die Analyse der Stabilität bereitstellen?
@kimholder Sie werden vielleicht überrascht sein, wie weit von "völlig flach" der Bauch eines Orbiters entfernt war. Es war die größte Überraschung, die ich hatte, als ich zum ersten Mal einen echten Orbiter sah. Es war, als ginge man unter dem sanft geschwungenen Bauch eines Wals hindurch. imgur.com/a/T50kOiw
@OrganicMarble, das ist eine Korrektur wert, denke ich. Ich werde bearbeiten.
@Hans Nein, leider nicht. Wenn Sie nach einer Suche hier nichts dazu finden, würde ich empfehlen, eine Frage dazu zu stellen.
Mein Verständnis war, dass das stumpfe Ende den heißeren Bugstoß von der Struktur fernhält (das Bild "anfängliches Konzept" wäre aus diesem Grund eine Katastrophe), aber die konische Form ist aerodynamisch stabil, sodass die Kapsel nicht stürzt. Eine Kugel hätte keinen Grund, sich nicht zu drehen, es sei denn, sie wird aktiv gesteuert.
Warum sind Raumschiffkapseln kegelstumpfförmig?
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