Was verhindert, dass BFS instabil wird, wenn es von der Horizontalen in die Vertikale kippt?

Question

Was verhindert, dass BFS instabil wird, wenn es von der Horizontalen in die Vertikale kippt?

qq jkztd

In diesem Video von ( der BFS-Landung von SpaceX ) gibt es einen Punkt, an dem das Schiff von der horizontalen „Bauch zuerst“-Endgeschwindigkeit im freien Fall in die vertikale „Motor zuerst“-Landeposition kippt.

Die Grafik auf der rechten Seite zeigt, dass dies zu einer vertikalen Beschleunigung von ungefähr 0,26 Mach bis 0,31 Mach führt, die durch die Verringerung des Luftwiderstands aufgrund des Kippmanövers selbst induziert wird.

Gimbal-Motoren werden nur gezündet, wenn das Schiff vertikal steht, was bedeuten könnte, dass dieses ganze Kippmanöver aerodynamisch erreicht werden soll.

Betätigte Flossen und Canard-Flossen sind so konstruiert, dass sie den Luftwiderstand um den Schwerpunkt des Schiffes erhöhen oder verringern, wie es ein Fallschirmspringer tut, indem er seine Gliedmaßen bewegt.

Aber sobald das Schiff beginnt, sich von der Horizontalen in die Vertikale zu neigen, erzeugen sein Körper und die betätigten Flossen Auftrieb. (statt nur ziehen)

Das Schiff beginnt rückwärts zu gleiten . Der Auftrieb steigt bis zu einem maximalen Punkt, wenn die Flossen nicht mehr blockiert sind.

Die Frage ist :

An diesem Punkt (Rückwärtsgleiten, fast senkrecht, Mach 0,3, kurz vor Selbstmordbrand) sollte das gesamte Schiff instabil werden, wenn der Auftriebsschwerpunkt zwischen dem Schwerpunkt und dem hinteren Teil des Schiffes (Motoren) liegt. Es ist ein bisschen so, als würde man sich vorstellen, dass man rückwärts fliegt VariEze oder die Kunstflugfigur namens „Tailslide“: Sie dreht sich um, genauso wie ein Badminton-Federball es tut, wenn er die Richtung ändert.

Wenn der Auftrieb erheblich wird, was hindert das Schiff daran, auf natürliche Weise in die Horizontale zurückzukippen oder abrupt zu gieren oder in eine unvorhersehbare neue Lage zu rollen (wie bei einem Shuttlecock)?

Ich stimme zu, wenn CG sehr weit hinten ist, könnten nach innen gefaltete Heckflossen und Canard-Flossen den richtigen Nickmoment für das BFS erzeugen, um vertikal zu kippen. Aber wo sollte der Schwerpunkt sein, damit er nicht um die Gierachse kippt (oder aufgrund der massiven festen vertikalen Flosse ein induziertes Rollen verursacht).

Beachten Sie, dass bei Betrachtung der von spaceX bereitgestellten Animationen die Heckflossen nur einen Freiheitsgrad zu haben scheinen: Die riesigen Scharniere ermöglichen Änderungen in der Dieder.

Canard-Flossen scheinen sich gleich zu verhalten, haben aber möglicherweise einen weiteren (in der Animation unsichtbaren) Freiheitsgrad: variabler Einfall, der die Kontrolle über das Nicken und Rollen erhöhen könnte, aber immer noch nutzlos für die Gierkontrolle ist.

Bearbeiten: Bitte konzentrieren Sie sich auf die Gierachse, betrachten Sie die Sekunden 1105 bis 1107 in der Animation. Canard-Flossen spielen keine Rolle bei der Stabilisierung des Gierens. Wie kann das Flugzeug aufgrund von Gierinstabilität und induziertem Rollen nicht taumeln?

Bewundere deine Ausdauer. Es gibt nichts, was ein Gieren verursachen könnte. Anscheinend planen sie, vektorisierten Schub zu verwenden. Könnte sogar umgekehrte Rudereingaben verwenden, wenn das Ruder stark genug war, um in den Wind zu zeigen. Ein Seitenwind, der Gieren erzeugt, wäre gefährlich. Aber auch hier wäre ein vektorieller Stoß von unten wie das Balancieren eines Besenstiels auf einem Finger. Interessanterweise würde diese Instabilität, wie bei Flugzeugen, das Steuern erleichtern!

Antworten (2)

Was verhindert, dass BFS instabil wird, wenn es von der Horizontalen in die Vertikale kippt?

Ich stimme dafür, diese Frage als nicht zum Thema gehörend zu schließen, da sie besser zur Weltraumforschung zu passen scheint
Die @FreeMan-Frage bezieht sich auf das aerodynamische Verhalten von Unterschall in niedriger Atmosphäre. SE kann dafür stimmen, es zu schließen und es hier einzusenden.
@FreeMan, dies ist reine Aerodynamik und befasst sich mit einigen sehr wichtigen grundlegenden Konzepten in Bezug auf CG und Center of Vertical Lift and Drag. Dies gilt für ALLE FLUGZEUGE. Vielen Dank.
Ich kann die Stimme von jemandem sein, der in der Wildnis schreit. Deshalb dauert es 5, um zu schließen.
Ok, jetzt, wenn die hinteren Flossen größer sind, wird der CG weiter hinten sein als abgebildet (sowieso). Wenn sich die hinteren Flossen falten, wird das Auftriebs-/Widerstandsmoment von der Ente größer und treibt die Rotation in die Vertikale. Es ist jetzt ein fröhlicher Rasenpfeil. Die kardanisch aufgehängte Rakete sorgt für die Feinabstimmung und vervollständigt die Landung.
Bitte beachten Sie die bearbeitete Antwort bezüglich des potenziellen Gierzustands😊
@FreeMan Seufz ... obwohl die eigentliche Frage nichts mit der Erforschung des Weltraums zu tun hat.
Woher wissen Sie, wann die kardanischen Triebwerke gezündet werden?
Und warum sind Auftrieb und Widerstand nicht senkrecht bzw. parallel zum relativen Wind?
@jjack Auf dem animierten GIF befindet sich ein kleiner Punkt auf der Höhen- / Geschwindigkeitskurve, der anzeigt, wann der Selbstmordbrand (und das Gimbaling) beginnt. Auch der Schub wird durch eine Wolke auf dem Modell auf der linken Seite dargestellt. Sie haben Recht, Lift & Drag sollten senkrecht und parallel zum relativen Wind sein, ich werde eine genauere Illustration aktualisieren.
Die Frage sollte lauten "wie wird es während der Neigung gesteuert"? Es kann aerodynamisch instabil sein und sich dennoch kontrolliert bewegen.
Fügen Sie in Ihren Zeichnungen bitte den Auftriebsvektor von den Canards vor dem CG hinzu.
Bewundere deine Ausdauer. Es gibt nichts, was ein Gieren verursachen könnte. Anscheinend planen sie, vektorisierten Schub zu verwenden. Könnte sogar umgekehrte Rudereingaben verwenden, wenn das Ruder stark genug war, um in den Wind zu zeigen. Ein Seitenwind, der Gieren erzeugt, wäre gefährlich. Aber auch hier wäre ein vektorieller Stoß von unten wie das Balancieren eines Besenstiels auf einem Finger. Interessanterweise würde diese Instabilität, wie bei Flugzeugen, das Steuern erleichtern!

Robert DiGiovanni · Answer 1

Die Antwort hier ist, die Geschichte zu wiederholen, wie Space X es mit dem Falcon 9 "macht". Um es aerodynamisch zu lösen, verlängern sie die Geschwindigkeitsbremsen von OBEN des Boosters, damit es zuerst mit dem Heck fällt. CG-Fans aufgepasst, so funktioniert es in Schwerkraft und Atmosphäre. Genau wie ein Fallschirm oder ein Drachenflieger.

Eine sehr genaue Betrachtung des Videos zeigt, wie sich die unteren "Heckflossen" nach innen falten und den aerodynamischen Druckpunkt (in diesem Fall Luftwiderstand) über den Schwerpunkt heben. Die Rakete verhält sich jetzt wie ein Flugzeug mit viel zu weit hinten liegendem Schwerpunkt (im Vergleich zu Clift), das sich aufrichtet und "rückwärts" auf den Boden fällt. Der Raketenschub verlangsamt dann den Abstieg zur Landung.

Die Rakete dreht sich während dieses Manövers zu ihrer neuen Gewicht-nach-unten- und Schlepp-/Anhebe-Konfiguration, mit vorhersagbarer Geschwindigkeitszunahme aufgrund des geringeren Netto-Widerstands in Richtung der "Flugrichtung".

Es kann hilfreich sein, hier die vertikalen und horizontalen Komponenten des "Auftriebs" zu zeichnen, um die Kräfte zu verstehen. Das Manöver ist einer 1/4-Schleife nicht unähnlich. Es wird kontrolliert, weil der Schwerpunkt unterhalb des Widerstandszentrums liegt.

Als Antwort auf die Bearbeitung bezüglich der Gierachse, großartige Beobachtung! Dies ist eine Technik, die für Flugzeuge in Betracht gezogen wird, die sich von einem tiefen Strömungsabriss erholen!!! Schaukeln Sie hin und her, um den V-Stab ins Spiel zu bringen, um aus dem Deepstall heraus zu gieren.

Aber mit der Rakete wird der kardanisch aufgehängte Motor dies stoppen, und vorher wird das Ruder jetzt nicht verwendet, um den Strömungsabriss zu brechen, sondern um ihn zu erhalten! Dies ist ein Kunstflugmanöver, rein und einfach.

Was Space X so gut macht, ist die Umwandlung des „Deep Stall“ in eine kontrollierte Landung.

Die Sorge um den V-Stab ist berechtigt. Die Geschwindigkeitsbremsen des Falcon 9 sind narrensicherer. Hoffen wir, dass sie sich nicht mit einem potenziell fehlerhaften Design „in die Ecke drängen“.

POST EDIT – ANTWORT AUF KOMMENTARE

Wir müssen hier bedenken, dass die Animation möglicherweise falsch ist, nicht der tatsächliche Flugplan. @qq jkztd wies zu Recht darauf hin, dass, wenn der BFR vertikal ohne horizontale Bewegung fallen würde, die Neigung nach oben eine horizontale Bewegung in Richtung des Hecks verursachen würde (beginnend rückwärts zu gleiten). Obwohl das Nicken nach oben kein Gieren hervorrufen würde, WÜRDE der rückwärts gleitende BFR beim Gieren instabil sein. Das Einklappen horizontaler Flossen würde es in der Neigung stabil machen. Eine bessere Lösung könnte darin bestehen, das Aufstellen mit etwas Vorwärtsbewegung einzuleiten oder einfach aufzurichten, indem Sie mit Geschwindigkeitsbremsen mehr Widerstand nach oben hinzufügen, wie dies bei Falcon 9 der Fall ist, oder den kardanisch aufgehängten Raketenmotor früher zünden. Manchmal ist einfacher jedoch besser,

bearbeitete Frage. CG unter CoD ist das, was die Stabilität ausmacht, wenn die Flossen ins Stocken geraten. Irgendwann könnte CoL auch unter CG gehen und die Stabilität durcheinander bringen
Da kommt ein Fallschirm ins Spiel. Bauchgefühl ist, dass die Rakete viel Energie aus dem Orbit hat, um es bis LZ zu schaffen. KISS könnte hier besser sein, bau einfach einen größeren Falcon 9.
@qq jkztd das ist ein Tonhöhenmanöver. Der Gimbal würde das Gieren steuern. Einzige Gefahr ist Seitenwind, aber Gimbal würde auch damit umgehen. Eingefahrene Rippen würden eine Dieder bilden, um das Rollen zu steuern. Die Neigung wird durch Höhenruder/Gimbal gesteuert und die Rotation wird durch Canard Drag unterstützt. Das einzige, was ich wie beim Space Shuttle in Frage stellen würde, ist die Notwendigkeit von Flügeln, da sie der Rakete Gewicht verleihen. Diese Art der Wiederherstellung ist Drag / Rocket Burn. Geflügelte Rakete würde für eine Landung gleiten. Warum 2 Techniken mischen?
Sie brauchen Flügel, wenn Sie einen Landeplatz oder einen Ausweichplatz erreichen wollen. Und die Oberfläche leitet Wärme ab.
Ich denke, ich würde lieber den Lastkahn (oder Flugzeugträger) in die Umlaufbahn schleppen. Das Problem hier ist der Versuch, ein richtungsstabiles Flugzeug "Enden tauschen" zu lassen. Die Verwendung des Gimbals wäre wie das Balancieren eines Besenstiels auf Ihrer Fingerspitze, könnte aber funktionieren. Es ist ein bisschen ehrgeizig und vielleicht zu komplex mit anderen verfügbaren Optionen. Ich habe keinen Zweifel, dass das Shuttle von Braun in seinem Grab rollen ließ, aber es hat viele Möglichkeiten eröffnet, die wir heute haben.
@RobertDiGiovanni es ist richtungsstabil und lenkbar, wenn es mit dem Bauch zuerst fällt (zumindest wie F9, auch ohne Flügel). Was ich nicht verstehen kann, ist die Stabilität während der Kippphase vor dem Landebrand.
Es ist wirklich nicht stabil, da es nickt. Und Ihre Besorgnis über den V-Stich ist plausibel. Die Animation zeigt im Grunde eine Steigung, die durch den Verlust des Luftwiderstands im hinteren Bereich verursacht wird. Die gleiche Drehung könnte durch Hinzufügen von Luftwiderstand nach vorne (wie bei einem Fallschirm oder einer Druckluftbremse) verursacht werden und würde ihn stabil in eine vertikale Ausrichtung drehen. Ich mag den Falcon 9. Ob sie Flügel wollen oder nicht, liegt bei ihnen. Ich würde lieber Drag nach oben hinzufügen, wie sie es derzeit tun.
@qq jkztd Ihr modifiziertes Diagramm ist VIEL BESSER. Fügen Sie jetzt den Auftriebsvektor zum Canard hinzu (zusammen mit dem Luftwiderstand) und arbeiten Sie mit den Drehmomenthebelarmen, um es zu neigen! Mein letzter Gedanke wäre, die hinteren Flossen so zu falten, wie sie es tun, aber oben eine Geschwindigkeitsbremse (Blütenblatt) einzusetzen, um die Drehung abzuschließen und die vertikale Konfiguration zu stabilisieren, bevor die Rakete abgefeuert wird. Viel Glück dabei!
@qq jkztd Möglicherweise möchten Sie überprüfen, ob der Drehimpuls in der Neigung das Gieren vorübergehend stabilisieren würde, genau wie ein durchdrehender Fahrradreifen! Wenn es schnell gemacht wird, könnte der Gimbal es fangen. Nicht mein Favorit, aber sie können es versuchen!

Jack · Answer 2

Ich denke, die kardanisch aufgehängten Motoren zünden vor dem in der Animation angegebenen Punkt – die Animation ist in dieser Hinsicht nicht genau.

Die Schubvektorsteuerung der Triebwerke kann das Kippmanöver stabilisieren und das Fahrzeug bis zum Aufsetzen lenken.

Ich stimme zu, wenn es eine Möglichkeit gibt, diese Motoren zu drosseln. Der minimale Schub des F9-Triebwerks bietet ein Verhältnis von Schub zu Gewicht von mehr als 1 während der Selbstmordverbrennung. Dies könnte problematisch sein, wenn das Schiff nicht vertikal steht. Wie auch immer, wir müssen bis zur nächsten Design-Iteration warten.