Welche G-Kräfte verursachen verschiedene Trägerraketen?

Es ist notwendig, einen Blick in die LV-Handbücher zu werfen (siehe diesen Meta-Beitrag für die Links zu aktuellen PDFs).

Die Ariane 5 hat beispielsweise das folgende Längsbeschleunigungsprofil:

Minotaurus I:

Die Rauheit der Fahrt ist sehr unterschiedlich – von Interkontinentalraketen, die beim Start auf maximale Beschleunigung abzielen, bis hin zu sanften schweren Fahrern. Dazu gehören Ruckraten, Vibrationen bei verschiedenen Frequenzen, Querbeschleunigungsprofile. Einige Trägerraketen leiden unter dem Pogo-Problem, andere erfahren unerwartet hohe seitliche und axiale Beschleunigungen bei der Trennung.

Und ja, die Auswahl der Trägerraketen kann durch die Lasten eingeschränkt sein, die die Ausrüstung tragen kann. Manchmal entwickelt sich das Design der Ausrüstung/des Raumfahrzeugs selbst (als maßgeschneiderte Arbeit, ich spreche hier nicht von massenproduzierten Sat-Plattformen) mit der Auswahl der Trägerrakete (um beispielsweise die gefährlichsten Vibrationsfrequenzen zu vermeiden).

Es gibt eine Reihe von Belastungsumgebungen, denen Nutzlasten während eines Raketenstarts ausgesetzt sind, und g-Lasten, oft als quasi-statische Belastungen/Beschleunigungen bezeichnet, sind nur eine davon und oft nicht die belastendsten. Weitere wichtige Umgebungen sind:

• zufällige Vibration
• Schock
• Thermal-
• akustisch

Diese Umgebungen unterscheiden sich stark zwischen Trägerraketen und werden typischerweise in Benutzerhandbüchern für Nutzlasten als allgemeine Anleitung veröffentlicht und einer Nutzlast während des Integrationsprozesses des Startsystems bereitgestellt, wo die Kompatibilität der Nutzlast und der Rakete hergestellt wird.

Typischerweise wird eine Kombination aus Test und Analyse verwendet, um sicherzustellen, dass die Nutzlast die Umgebungen überstehen kann, und dies kann einer der teuersten und zeitaufwändigsten Teile der Entwicklung von Raumfahrzeugen sein.

Quasistatische Belastungenkann man sich als konstante Beschleunigung vorstellen. Sie sind ein Ergebnis der Massenbeschleunigung der gesamten Rakete sowie des Beitrags jeder zufälligen Vibration, die deutlich unter der Eigenfrequenz der Nutzlast liegt, wo sie als starrer Körper reagiert. QS-Lasten werden typischerweise als axial (entlang der Mittelachse des Fahrzeugs) und lateral (senkrecht zur Achse) angegeben. Die axialen Belastungen sind in der Regel beim Burnout der Stufe am höchsten, kurz vor den Trennungsereignissen. Mehrere g sind typisch, über 10 sind keine Seltenheit. Fahrzeuge sind mit Sicherheitsfaktoren konstruiert, sodass ein Fahrzeug beispielsweise einer Beschleunigung von über 20 g standhalten muss. Seitliche Beschleunigungen werden typischerweise durch aerodynamische Belastung oder andere Fahrzeugmanöver angetrieben.

Zufallsschwingungen werden typischerweise als spektrale Leistungsdichtefunktion dargestellt, die eine Visualisierung der Schwingungsenergie im Frequenzraum ist (z. B. eine schnelle Fourier-Transformation der Zeitverlaufs-Zufallsschwingung), und als gRMS (g, Root-Mean-Square) Wert. Dies sind oft die stressigsten Umgebungen, da die Verstärkung bei bestimmten Eigenfrequenzen dazu führen kann, dass die effektive Last an bestimmten Stellen im Fahrzeug viele zehn g entspricht (ich habe Dinge mit 70 oder 80 g leicht so hoch gesehen).

Schock wird auch als PSD dargestellt, jedoch mit viel höheren Frequenzen als RV. Schockbelastungen sind das Ergebnis von Ereignissen wie der Trennung von Bühnen oder Verkleidungen und werden durch Dinge wie Sprengbolzen verursacht. Dies führt zu einem hochfrequenten Klingeln durch das System. Strukturen sind in der Regel weniger anfällig für Stöße als RV- oder QS-Lasten, aber sie können Mechanismen, Elektronik und fein kalibrierte Instrumente (einschließlich Optiken) zerstören.

Akustisch ist Schallbelastung. Es neigt dazu, Energie in großflächige, leichte Strukturen wie Paneele oder Antennen zu stecken. Es regt diese Strukturen an, die zufällige Schwingungen in den Rest der Struktur einspeisen.

Thermische Umgebungen können aufgrund der Erwärmung der Verkleidung während des Aufstiegs extrem sein, die dann die Nutzlast abstrahlt.

Zur Ergänzung der anderen Antworten (und vielleicht von historischem Interesse) ist hier ein Beschleunigungsprofil für den Start eines Space Shuttles.

Segmentbezeichnungen entsprechen den folgenden Ereignissen/Phasen:

A: Abheben bis Gas geben

B: Herunterdrosselung für maximalen dynamischen Druck

C: Drosselung bis zum Beginn des SRB-Burnouts

D: SRB Burnout und Sep

E: Konstante Drosseleinstellung des Hauptmotors mit abbrennendem ET-Propeller

F: Drosselung der Haupttriebwerke, um die 3G-Designgrenze aufrechtzuerhalten

G: Haupttriebwerksabschaltung und ET sep

Re: Vibration, alle Berichte sagen, dass die Vibration von den SRBs stark genug war, um es schwierig zu machen, sich auf die Instrumente zu konzentrieren. Nach dem SRB-September war die Fahrt viel ruhiger.