Die Grundidee der gestuften Raketentechnik ist es, die Masse an leeren Tanks und so weiter so schnell wie möglich während des Starts loszuwerden, oder? Sie sollten sie also idealerweise einzeln fallen lassen, sobald sie geleert sind.
AFAIK, Delta IV Heavy tut es, und Falcon Heavy und Angara planen, ihre gemeinsamen Booster-Seitenkerne beide auf einmal fallen zu lassen (da Angara bis zu 6 Strap-On-Kerne plant, weiß ich nicht, ob sie 2 gleichzeitig fallen lassen werden oder alle 6 auf einmal). Aber warum nicht einfach einen nach dem anderen fallen lassen?
Ein Argument für eine gleichzeitige Trennung könnte darin bestehen, Symmetrie und Stabilität aufrechtzuerhalten. Aber zumindest naiv, wenn sich die Rakete um 90 Grad dreht, sodass die drei Kerne übereinander liegen, dann sollte das Entfernen eines von ihnen keine Asymmetrie erzeugen.
Während SpaceX plant, seine Booster wiederzuverwenden, tut Delta IV Heavy dies nicht. SpaceX benötigt Booster an seinen Seitenkernen, um sie weich zu landen. Aber warum hat Delta IV Heavy Raketentriebwerke an den Seitenkernen? Motoren, die fallen gelassen werden, wenn noch Treibstoff im zentralen Kern vorhanden ist. Warum nicht alle Raketentriebwerke am zentralen Kern befestigen und einfach Falltanks an der Seite verwenden?
Bei Atlas V, Ariane 5, Proton, SLS ist das Leergewicht der kleineren Seitenbooster möglicherweise zu gering, um sich zu sehr darum zu kümmern. Bei Raketen, die 3 oder mehr ähnlich große Kerne in einem Bündel verwenden, muss es jedoch ganz anders sein.
Ihre Annahme, dass das Drehen der Rakete die Asymmetrie beseitigt, ist falsch.
Der Gesamtschub der Rakete kann als Vektor visualisiert werden. Dieser Vektor sollte auf den Schwerpunkt der Rakete zeigen. Wenn dies nicht der Fall ist, ändert der Schub die Richtung der Rakete. Es ist leicht zu erkennen, dass der Schubvektor einer Rakete mit 1 Booster nicht auf ihren Schwerpunkt zeigt.
Bearbeiten: Wenn Sie die Rakete wie beschrieben drehen, ist die Richtungsänderung "oben" oder "unten". So oder so wird die Rakete versuchen, im Kreis zu fliegen. Das Drosseln hilft nicht, die Rakete auf Kurs zu halten, es sei denn, Sie drosseln die Booster-Triebwerke auf 0, und warum sollten Sie sich dann die Mühe machen, den Booster in der Nähe zu halten?
Wie @TildalWave in den Kommentaren sagt, können Sie dies möglicherweise kompensieren, indem Sie die Motoren kardanisch aufhängen, aber dann verlieren Sie etwas Leistung.
Der Raketenkörper muss jederzeit auf seinen Geschwindigkeitsvektor ausgerichtet sein. Wenn sie aus der Ausrichtung gerät (dh sie schleudert oder seitlich rutscht), steigt der Luftwiderstand enorm und die Rakete läuft Gefahr, auseinanderzubrechen. Wenn Sie einen Booster fallen lassen, erhalten Sie asymmetrischen Schub und Luftwiderstand, die beide versuchen, die Rakete herumzuwirbeln. Sie müssten Ihre Düse perfekt timen, um zu überleben. Das Abwerfen beider Booster ist ein viel einfacheres und weniger riskantes Manöver: Sie müssen nur sicherstellen, dass die Trennladungen gleichzeitig feuern.
Berücksichtigen Sie die Schubkraft, die die verschiedenen zitierten Seitenverstärker bieten:
Falcon 9 Heavy: 9 Merlin 1Ds mit je 155 Klbs = 1,4 Mlbs Schub
Delta 4 Heavy: 1 RS-68 ~ 600 Klbs Schub
Araine 5: P230 solide 1,45 Mlbs Schub
Angara: RD-191 mit einem URM ~432 KLbs Schub
Dies sind keine kleineren Zahlen (das Eingeständnis meines Punktes gilt weniger für Angara und D4-H)
Wenn Sie auf irgendetwas eine Schubinstabilität von 1,4 Millionen Pfund erzeugen, wird es nicht gut enden.
Da jedoch die gepaarten seitlichen Booster typischerweise zur gleichen Zeit zünden, mit der gleichen Rate brennen und identische Komponenten verwenden, brennen sie zur gleichen Zeit aus.
Der Kern kann gedrosselt werden (D-4H und wahrscheinlich Angara in der Zukunft, nur ein einziges URM-Modell hat bisher suborbital gestartet) oder bei identischen Kernmodulen Crossfeed verwenden (F9-H vielleicht). Es kann ein völlig anderes Setup sein (Ariane 5, Vulcain-Haupttriebwerk vs. Solids), wenn der mittlere Kern und die Strapons völlig unterschiedlich sind.
Eines der Atlas-Modelle mit vielen kleineren festen GEM-Strapons entzündete einige der Strapons an der Luft, sobald sie eine bestimmte Geschwindigkeit/Höhe erreichten, und ließ andere fallen, um Leistungsvorteile zu erzielen.
Eine zweite Frage, die Sie gestellt haben, war, warum Motoren in den Seitenkernen. Das ist sozusagen die Frage, warum nicht alles wie Proton ist. Proton sieht aus, als hätte es einen zentralen Kern und ein paar kleinere Strapons, aber die Strapons haben Motoren, die Kraftstoff aus dem zentralen Kern verwenden. Und sie trennen sich nicht.
Im Fall von F-9H und D-4H wäre das Tragen all dieser zusätzlichen Triebwerke in den Orbit eine große Gewichtsstrafe, die den Schweinswal der Inszenierung besiegt. Die zusätzlichen Seitenkerne sind nicht so sehr eine größere Stufe 1, sondern Stufe 1 (Seitenkerne) und Stufe 1+ oder 2 (Mittelkern).
Der ursprüngliche Atlas tat das Gegenteil. Es hatte drei Motoren und ließ die beiden Seitenmotoren als Zwischenstation fallen, behielt aber die gemeinsame Tankkapazität bei (Ballontanks, sehr leicht).
Alle Raketen müssen das Schubzentrum (Ct) unterhalb des Massenzentrums (Cm) halten.
Nehmen wir für den Moment einen 2-Booster-Raketenstapel an; Die Rakete und die Booster erzeugen alle einen Schub von 500 Tonnen-Schub. Der linke Booster ist 3 m von der Mittellinie entfernt und der rechte ebenfalls 3 m von der Mittellinie. Das Schubzentrum kann berechnet werden, indem der Schub mit dem Abstand von der Mittellinie für jedes Triebwerk multipliziert wird (wodurch das Schubmoment erhalten wird) und dann durch den Gesamtschub des Systems dividiert wird
Ebenso kann der Massenmittelpunkt berechnet werden, indem man die Masse mal den Abstand von der Referenzmittellinie nimmt und dann durch die Gesamtmasse dividiert. Nehmen wir an, jeder Booster hat eine Masse von 50 t, ebenso die 1. Stufe, die obere Stufe 25 t und die Nutzlast 25 t.
(Jeder Flugzeugpilot sollte ähnliche Berechnungen für die Beladung vor dem Start durchführen ...)
Fall 1: Alle drei gehen.
Linker Booster 500TT @ -3m, Moment -1500
Rechter Booster 500TT @ +3m, Moment +1500
Stufe 1: 500TT @ 0m, Moment 0 Gesamtmoment
0
Schubzentrum 0 (= Moment/ThrustTotal = 0/1500)
Massenmittelpunkt, Fall 1
LB 50T x -3m Moment=-150
RB 50T x +3m Moment=+150
S1 50T x 0m Moment=0
S2 25T x 0m Moment=0
PL 25T x 0m Moment=0
Gesamtmoment = 0 ( =150-150+0+0+0) Massenmittelpunkt = 0 (= Moment/Gesamtmasse = 0/200)
Fall 2: Nur nach links gehend, nach rechts
fallend Linker Booster 500 TT @ -3 m, Moment -1500
Stufe 1: 500 TT @ 0 m, Moment 0
Gesamtmoment -1500
Schubmittelpunkt -1,5 m (= Moment/SchubGesamt = -1500/1000)
Massenmittelpunkt, Fall 1
LB 50T x -3m Moment = -150
S1 50T x 0m Moment = 0
S2 25T x 0m Moment = 0
PL 25T x 0m Moment = 0
Gesamtmoment = -150 (= -150+0+0+ 0) Massenmittelpunkt = -1 (= Moment/Gesamtmasse = -150/150)
Beachten Sie, dass in Fall 2 Ct und Cm nicht übereinstimmen; Dies erzwingt eine Drehung nach rechts, da das Schubzentrum links vom Massenzentrum liegt. (Die tatsächliche Spinrate wird dadurch bestimmt, wie weit OBEN im Stapel der Schwerpunkt liegt. Diese Berechnungen können in 3D durchgeführt werden.)
[W]Warum hat Delta IV Heavy Raketentriebwerke an seinen Seitenkernen? Motoren, die fallen gelassen werden, wenn noch Treibstoff im zentralen Kern vorhanden ist. Warum nicht alle Raketentriebwerke am zentralen Kern befestigen und einfach Falltanks an der Seite verwenden?
Die meisten Raketen haben ein Massenverhältnis zwischen 10 und 20. Ein Massenverhältnis von 10 bedeutet, dass eine 100-Tonnen-Rakete nur 10 Tonnen wiegen wird, wenn der gesamte Raketentreibstoff verbrannt ist. Wenn der Schub beim Abheben 200 Tonnen beträgt, beträgt die Beschleunigung beim Abheben 2G. Beim Burnout beträgt die Beschleunigung 20 G. 20G ist zu viel.
Wie Sie sehen können, müssen Sie nicht alle Motoren für die gesamte Verbrennung behalten. Die erste Atlas-Rakete tat genau dies, sie ließ 2 der 3 Triebwerke fallen, mit denen sie gestartet war, und konnte mit dem einen verbleibenden Triebwerk in die Umlaufbahn übergehen.
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Roel Schröven