Was sind die Herausforderungen, eine Raketenstufe umzudrehen und ihre Triebwerke in einen Überschallwind zu zünden?

Also bin ich in einer kürzlichen Frage zu dem Link gegangen und habe entdeckt, dass SpaceX seine erste Stufe umdreht, während es läuft, was, mehrere km / s in der oberen Atmosphäre, 3 der Triebwerke neu startet und rückläufig feuert, um die Stufe zu verlangsamen und es zu bekommen auf dem Weg zurück zum Launchpad. Abgesehen davon, dass mir plötzlich klar wurde, dass ich die Entfernungen, die mit diesem Manöver verbunden sind, absolut nicht richtig eingeschätzt hatte, hatte ich ein echtes ‚Warte, was?' Moment, wenn man daran denkt, eine größtenteils hohle Röhre mit diesen Geschwindigkeiten selbst in einer dünnen Atmosphäre umzudrehen, sie genau rückwärts zu richten und sie so ausgerichtet zu halten, während sie langsamer wird, ohne die Kontrolle zu verlieren.

Das klingt ungeheuer schwierig. Ist es? Wie gehen sie damit um? (Der Link führt zu einem guten Artikel in der Aviation Week über die Daten, die die NASA beim CRS-4-Start im September während der rückläufigen Verbrennung gesammelt hat und die hoffentlich für die Gestaltung der Antriebsverzögerung auf dem Mars verwendet werden können.)

Ich dachte wirklich, dass ein Teil der Herausforderung darin bestehen würde, dass Ihre Abgase die Luft aufheizen, durch die Sie fliegen werden ... aber vielleicht ist das im Vergleich zur Kompressionsheizung unbedeutend, und darüber hinaus scheint es genug Herausforderungen zu geben.

Antworten (1)

  1. Das Geschäftsende der Rakete überlebt den dynamischen Druck und die Erwärmung, wenn es in die Strömung zeigt, wobei dieser Teil der Rakete im Allgemeinen nicht aerodynamisch ausgelegt ist. Dies ist eine Herausforderung, unabhängig davon, ob die Motoren zünden oder nicht. Das Laufen der Motoren kann hier tatsächlich ein wenig helfen, indem der Fluss in diese Düsen zurückgewiesen wird, aber sie lassen nicht alle Motoren laufen.

  2. Starten eines Motors mit einer Überschallströmung, die auf die Düse auftrifft. Dies kann eine Herausforderung sein oder auch nicht, aber Sie wissen es nicht wirklich, bis Sie es versuchen. Es ist, vorsichtig ausgedrückt, problematisch, es am Boden zu simulieren oder zu testen.

  3. Es ist nicht allzu schwierig, den Stock in den Wind zu richten, bevor Sie einsteigen, aber es ist entscheidend, ihn in den Wind zu richten. Nur ein wenig daneben und die Seitenkräfte auf den Rumpf können die Kontrollbefugnis der kardanischen Düsen überwältigen, das Fahrzeug umdrehen und es Seitenkräften aussetzen, die das Fahrzeug zerbrechen können. Sie versuchen, die Struktur der Trägerrakete so leicht wie möglich zu machen, damit sie nicht dafür ausgelegt ist, volle dynamische Drucklasten von der Seite aufzunehmen.

  4. Einmal in der Überschallströmung können die aerodynamischen Effekte des unordentlichen Geschäftsendes der Rakete kompliziert sein, was die Kontrolle zu einer kleinen Herausforderung macht. Sie können kontraintuitive Effekte haben, die den Fluss bei unterschiedlichen Anstellwinkeln in unerwartete Richtungen umleiten.

  5. Die Auswirkung der laufenden Motoren auf den Luftwiderstand vorherzusagen, ist eine Herausforderung. Die Schubfahnen neigen dazu, den Luftwiderstand zu verringern, was teilweise der Absicht entgegenwirkt, die Triebwerke zu zünden, um die Verzögerung zu erhöhen. Mit einem ausreichenden Verhältnis von Schub zu Widerstand ist dies kein Showstopper, aber Sie müssen in der Lage sein, vorherzusagen, wie groß der Effekt ist, um zu wissen, ob Sie genug Kraftstoff haben. Dieser Einfluss auf den Luftwiderstand verkompliziert auch, was passiert, wenn Sie den Motor kardanisch aufstellen, was Teil der Herausforderung in #4 ist. Auch hier kann ein hohes Verhältnis von Schub zu Luftwiderstand die Überraschungen reduzieren.

Wow, jetzt sieht die Leistung von SpaceX absolut brillant aus.
@iamcreasy Danke für den Link. Das zu beobachten ist ziemlich cool. Ausreichende Daten von einem Start zu erhalten, um dieses Design zu optimieren, scheint an sich schon eine große Herausforderung zu sein. Selbst das Ausführen einer genauen virtuellen Simulation erscheint mir schwierig.
Sicherlich würde es auf ähnliche Weise wie der Rückwärtsschub bei Düsentriebwerken implementiert werden; Umlenken der Düsen anstelle eines 180 auf der Flugzeugzelle ... ?
Nein. Es ist ein 180er auf der Flugzeugzelle.
Das Video, mit dem Iamcreasy verlinkt ist, hat bei etwa 1:50 die Überschrift „Mars relevantes Rückantriebsregime“. Das überrascht mich. Ich denke, 70 km Höhe hätten eine Dichte, die mit der Marsatmosphäre vergleichbar wäre. Aber die Mars-Eintrittsgeschwindigkeit würde ungefähr 6 km / s betragen, ein gutes Stück höher als das, was ich mir vorstelle, in das die 1. Stufe des Falcon eintritt.
Bei Mars feuern Sie die Triebwerke nicht beim Eintritt. Sie lassen die Atmosphäre das Fahrzeug so weit wie möglich verlangsamen und warten, bis Sie ziemlich nah am Boden sind und viel langsamer fahren als beim Einstieg, um die Motoren einzuschalten.
"Starten eines Motors mit einem Überschallstrom, der aus der Düse kommt" - Der Überschallstrom "kommt" nicht aus der Düse, da die Kammer ansonsten abgedichtet ist, was bedeutet, dass es keinen Ausgang gibt. Stattdessen bildet es einen stehenden Stoß am Fuß der Motorglocke, um den die Strömung herumschwappt.
@MarkAdler: "So viel wie möglich" für ein großes Fahrzeug auf dem Mars ist nicht so viel, wie Sie möchten. Die Endgeschwindigkeit eines Menschen (zum Beispiel) ist mehr oder weniger die Schallgeschwindigkeit, und der Quadratwürfel bedeutet, dass größere Nutzlasten im Allgemeinen schneller fallen.
@SteveLinton Deshalb setzen die EDL-Systeme der Lande- und Roving-Fahrzeuge für den Mars immer große Fallschirme ein, bevor sie die Rückantriebsphase einleiten.
Ein kleiner Vorteil der Geometrie und der Masseneigenschaften des Sticks: Nach der Trennung stellen die Motoren die höchste Massenkonzentration der gesamten Baugruppe dar, dies konzentriert die Masse am "Heck", bewegt das CM nach hinten und macht den Stick mehr oder weniger aerodynamisch stabil . Das ist aber nur bedingt stabil, nicht felsenfest und würde ohne aktive Regelung große Lageausschläge zulassen.
Sicher, aber Fallschirme sind Einwegartikel (mehr oder weniger) und haben viel Masse. Ich denke, der Zweck der Forschung zum Retroantrieb besteht darin, eine wiederverwendbarere Lösung zu finden (oder noch größere Nutzlasten zu landen).
@SteveLinton: Sie können immer noch von ~ 7,5 km / s auf weniger als 1 km / s herunterfahren ( spaceflight101.com/spx/wp-content/uploads/sites/113/2017/09/… ). Der Kampf mit Mars-Sonden bestand darin, das Landefahrzeug auf Unterschall zu bringen, damit es Fallschirme öffnen kann, da die Machbarkeit eines Überschall-Rückantriebs unbekannt war. Das "Mars-relevante Rückantriebsregime" war relevant, da es den Überschallflugbedingungen für ein großes Fahrzeug ähnelt, das eine Motorlandung auf dem Mars durchführt ... Sie müssen nicht zuerst Unterschall bekommen, wenn der Überschall-Rückantrieb funktioniert.
@SteveLinton "so viel wie möglich" kann mehr sein, als Sie denken. Sie können mit nur einem stumpfen Körper (ohne Fallschirm) einen Eintritt von 6 km / s bis zu ~ 1 km / s erreichen. Genau das war für das Red Dragon-Konzept geplant, das die Triebwerke erst zünden würde, wenn es (beängstigend) ein paar Kilometer über dem Deck ist.
Ich denke, wir stimmen wütend überein. Mein Punkt war, dass Sie keinen Unterschall bekommen können, also müssen Sie dieses Regime erkunden. Ich wollte nie vorschlagen, dass Sie von Eintrittsgeschwindigkeiten bremsen müssen.