Was bestimmt, wann eine Rakete von einer vertikalen Flugbahn in eine horizontale übergeht?

Atmosphärischer Luftwiderstand vs. Gravitationswiderstandskurve.

Die Wendung ist kein sofortiges oder auch nur kurzes Manöver – sie beginnt entweder kurz nach dem Verlassen des Turms oder in einigen Fällen sogar vor dem Start! und dauert, bis die vertikale Geschwindigkeit ausreicht, um die Atmosphäre zu reinigen und ziemlich spät im Flug die Nähe des Apogäums zu erreichen.

Die Flugbahn – und der direkt damit verbundene Brennwinkel – ist ein Ergebnis der Optimierung der Funktion von Schwerkraftverlusten und atmosphärischen Widerstandsverlusten: Während das Erreichen der Umlaufgeschwindigkeit so schnell wie möglich (horizontal brennend) ist, ist der Weg, den Verlust aufgrund der Schwerkraft der Erde zu minimieren ("Schwerkraft Widerstand"), wird dies durch den atmosphärischen Widerstand ausgeglichen, der dies in geringen Höhen unmöglich macht und in etwas größeren Höhen wirtschaftlich suboptimal ist - da Sie mehr verlieren, wenn Sie Luft aus dem Weg schieben, als Sie verhindern, dass Sie verlieren, wenn Sie verhindern, dass die Rakete herunterfällt.

Was entscheidet, wie die Kurve bei einer bestimmten Rakete aussehen soll? Aerodynamik und Motoren sowie in geringerem Maße Nutzlast und Betriebsfestigkeit.

Das Schub-Gewichts-Verhältnis (TWR) der Rakete, abhängig von der Raketenmasse und dem Triebwerksschub, entscheidet darüber, wie schnell die Rakete steigen und beschleunigen kann. Das aerodynamische Profil entscheidet über die Luftwiderstandsverluste. Die strukturelle Haltbarkeit sagt aus, wie sie mit hohem dynamischen Druck (MaxQ) umgehen kann, und kann eine Drosselung des Motors auferlegen, um das Risiko für die Rakete und atmosphärische Verluste zu verringern. Die Nutzlast kann für bestimmte Beschleunigungen ausgelegt sein, was das zulässige maximale TWR begrenzt.

Der oben verlinkte SS-520 hat einen sehr hohen TWR und ein sehr schlankes aerodynamisches Profil; Es kann sehr schnell große Höhen erreichen, also startet es in einem Winkel und beginnt die "Schwerkraftkurve" (wie das gekrümmte Startprofil manchmal genannt wird) direkt vom Moment des Starts. Bei allen anderen Trägerraketen beginnt die Kurve spätestens nach dem Verlassen des Startturms, aber die anfängliche Neigung kann sehr gering sein.

Als ehemaliger Analyst der Flugbahn von Trägerraketen ist die Antwort nicht sehr befriedigend: Es kommt darauf an.

Trajektorien sind eingeschränkte Optimierungsprobleme, so dass auf der höchsten Ebene die Antwort darauf, was bestimmt, wann die Kurve gemacht wird, das ist, welches Manöver die gewählte Zielfunktion optimiert, während die Einschränkungen erfüllt werden.

Um hilfreicher zu sein, gibt es unzählige Einschränkungen. Die aerodynamischen Kräfte in Grenzen halten, den Steuerspielraum auf dem Schubvektor und/oder den aerodynamischen Oberflächen aufrechterhalten, sicherstellen, dass der Verkleidungsabwurf nicht zu früh erfolgt, die Lufterwärmung in Grenzen halten, die relative Position des Startplatzes und der Zielumlaufbahn usw. Nun, dass die Menschheit weiß, wie man Booster der ersten Stufe zurückgibt, gibt es eine ganze Reihe anderer Einschränkungen, wie z. B. die Bereitstellung, damit die erste Stufe zum Startplatz fliegen kann usw.

Die Parameter, die letztendlich die Lösung steuern, und die Grenzen/Werte sind sehr raketenabhängig, deshalb begann meine Arbeit als Trajektorienanalytiker immer sehr früh in einem Programm. Wie die Rakete fliegen wird und ihr grundlegendes Design müssen gemeinsam erfolgen.

Abgesehen von diesen Einschränkungen beginnen sich normale Bodenraketen spätestens dann zu drehen, nachdem sie den maximalen dynamischen Druck und / oder das maximale Q-Alpha überschritten haben, wenn die maximalen Luftlasten auf der Struktur auftreten. Luftgestartete Raketen fliegen sehr unterschiedliche Bahnen und fliegen grundsätzlich nie senkrecht nach oben.