Wie ermöglicht das Rollmanöver, dass mehr Masse in die Umlaufbahn gehoben wird?

Lassen Sie uns zunächst die Terminologie klarstellen: "Neigungsmanöver" oder "Schwerkraftdrehung", manchmal auch als "Pitch-Manöver" bezeichnet. Es wurde im Fall von Space Shuttles "Roll Program" genannt, weil es mit einer Rolle verbunden war, die aus technischen Gründen notwendig war, aber nicht direkt zur Flugeffizienz beitrug.

Alle Raketen (und übrigens alle fliegenden Körper auf der Erde) unterliegen der Schwerkraft. Das ist ein Jargonname für die Anziehungskraft der Gravitationskraft, die alles auf die Erde fallen lässt, wenn es nicht irgendwie aufgehängt wird.

Eine Rakete, die nur über der Startrampe schwebt, ohne aufzusteigen, muss also jede Sekunde genug Treibstoff verbrennen, um ihr eine Beschleunigung von 9,8 m / s ^ 2 zu verleihen - nur um die Erdbeschleunigung auszugleichen. Das ist alles verschwendeter Treibstoff, der nicht dazu beiträgt, die Rakete zu beschleunigen oder anzuheben, sondern nur verhindert, dass sie fällt.

Verständlicherweise möchten wir diese Verschwendung minimieren – und der einzige Weg, dies zu tun, besteht darin, die Zeit zwischen dem Start und dem Moment, in dem wir die Umlaufgeschwindigkeit erreichen, zu minimieren, bei der der Gravitationswiderstand auf Null reduziert wird.

Die Startbahn ist ein Gleichgewicht zwischen horizontaler Beschleunigung, die genau diesem Zweck dient, und vertikaler Beschleunigung, die den atmosphärischen Widerstand verringern soll, indem die Rakete in eine immer dünnere Atmosphäre und schließlich vollständig aus ihr herausgehoben wird. Der Schub wird also zwischen dem horizontalen Faktor (Reduzierung des Gravitationswiderstands) und dem vertikalen Faktor (Reduzierung des atmosphärischen Widerstands) aufgeteilt. Aus diesem Grund wird die Rakete geneigt, um sofort eine horizontale Geschwindigkeit zu erreichen, und diese Neigung nimmt zu, wenn der atmosphärische Widerstand schwächer wird - je höher die horizontale Geschwindigkeit, desto geringer ist auch der Gravitationswiderstand.

Dies zu optimieren bedeutet, dass wir den Orbit mit weniger Treibstoff erreichen können, als wir verbrauchen würden, wenn wir eine nicht optimale Flugbahn nehmen würden (z. B. senkrecht nach oben starten und erst später horizontal beschleunigen, während uns der Gravitationswiderstand ein Vermögen an Treibstoff kostet), und natürlich - stattdessen Um tatsächlich weniger Treibstoff zu verbrauchen, erhöhen wir nur die Nutzlast - eine Rakete, die auf einer optimalen Flugbahn fliegt, kann eine größere Nutzlast aufnehmen als eine mit der gleichen Treibstoffmenge, die nicht optimal fliegt.

Im Fall von Space Shuttles wurde das Neigungsmanöver "Roll-Programm" genannt. Denn das Manöver, das Shuttle in die richtige Neigung zu bringen, war damit verbunden, dass es in die Position „Shuttle unten, Tank und Booster oben“ rollte. Dieses Rollen wurde durch strukturelle und andere technische Anforderungen erforderlich - es war eine Eigenart der Space-Shuttle-Konstruktion, die unregelmäßige Form, die Verwendung seiner Flügel usw. Es wird in den meisten großen Trägerraketen nicht benötigt.

Selbst im Shuttle war es nicht unbedingt notwendig - es wurde durch die Startrampe und die Position der Raupenbahn vorgegeben, da das Drehen des Shuttles auf dem Boden zum Starten in der richtigen Rollausrichtung zu umständlich wäre - also wurde es erst nach dem Start durchgeführt. Aber trotz des Namens war der "Roll"-Teil des "Roll-Programms" nur eine technische Eigenart dieser speziellen Konstruktion. Die Neigung in die richtige Neigung war jedoch der allgemeine Teil der "Raketenwissenschaft", der zur Effizienz des Handwerks beitrug.

Eine erwähnte Sache war, dass das Fahrzeug dadurch mehr Masse heben konnte. Wenn alle Dinge gleich sind, sehe ich nicht, wie die Neigung die Fähigkeit erhöhen kann, die potenzielle Energie der Nutzlast zu erhöhen.

Alle Dinge waren nicht gleich. Das Shuttle war kein axialsymmetrisches Fahrzeug.

Das Shuttle-Roll-Programm wurde etwa zehn Sekunden nach dem Start durchgeführt und dauerte nur etwa acht Sekunden. Es wurde als Rollprogramm bezeichnet, weil der Haupteffekt darin bestand, das Fahrzeug um etwa 180 Grad zu rollen. Ohne dieses Manöver hätte das Layout der Startrampe eine Heads-up-Ausrichtung des Orbiters diktiert.

Der Shuttle-Stack bestand aus einer Reihe von Teilen, darunter der Orbiter selbst, der externe Tank und die Feststoffraketen-Booster. Seitwärts fliegende Köpfe hätten überhaupt keinen Sinn gemacht. Die Spannungen auf den Verbindungsstücken zwischen diesen Komponenten hätten das Fahrzeug auseinandergerissen. Das Fliegen in einer Heads-up-Konfiguration hätte auch nicht viel Sinn gemacht. Dies hätte zu Zugspannungen zwischen dem Orbiter und dem Außentank geführt. Die Heads-Down-Konfiguration, die Strömung war, führte zu Druckspannungen.

Während das Fliegen mit dem Kopf nach oben kontrollierbar gewesen wäre, hätte die Tatsache, dass die Kräfte eher Zug- als Druckkräfte gewesen wären, eine erhebliche Reduzierung der Nutzlastmasse erforderlich gemacht, damit sich das Fahrzeug nicht bei maximalem dynamischem Druck (max Q) selbst zerreißt . Dies war Teil dessen, was der zitierte Wikipedia-Artikel mit "Erhöhung der Masse, die in die Umlaufbahn getragen werden kann" meinte.

Ein weiterer Aspekt des Rollprogramms bestand darin, das Fahrzeug so auszurichten, dass es auf dem richtigen Kurs war. Ein dritter Aspekt bestand darin, das Fahrzeug nach unten neigen zu lassen. Um eine Umlaufbahn zu erreichen, muss ein Fahrzeug an Höhe gewinnen und eine enorme horizontale Geschwindigkeit erreichen. Ein Fahrzeug, das senkrecht vom Boden gestartet wird, muss sich während des gesamten Startverlaufs nach unten neigen, um schließlich acht bis zehn Minuten nach dem Abheben diesen hauptsächlich horizontalen Kurs zu erreichen. Idealerweise geschieht dies, um das Fahrzeug während des gesamten Starts konstant auf einem Anstellwinkel von null zu halten. Dies wird als Schwerkraftdrehung bezeichnet.

Kein echtes Raumschiff vollführt eine echte Gravitationsdrehung. Das Fahrzeug muss es zuerst durch den dicksten Teil der Atmosphäre schaffen. Dabei spielt die Minimierung von Spannungen bei maximalem Staudruck eine zentrale Rolle. Das kurze Shuttle-Roll-Programm bereitete die Bühne dafür vor, wann das maximale Q auftrat. Zusätzlich zu den Belastungen der Anschlüsse und der Struktur war es sehr wichtig, die Belastung der Flügel des Orbiters zu minimieren, insbesondere bei maximalem Q. Die Flügel waren beim Start eher ein Hindernis als eine Hilfe. Das Shuttle flog mit einem negativen Anstellwinkel, um die Belastung der Flügel auf ein Minimum zu reduzieren.

Das Shuttle-Rollprogramm, so kurz es auch war, bereitete den Rest des Fluges vor. Das genau richtig zu machen, wirkte sich tatsächlich darauf aus, wie viel Masse in die Umlaufbahn transportiert werden konnte.

Fast alle Trägerraketen heben senkrecht ab und sind darauf ausgelegt, Umlaufgeschwindigkeit, -höhe und -ausrichtung zu erreichen, wenn die Oberstufe ihre Injektionszündung abschließt.

Stellen Sie sich eine Trägerrakete vor, die vertikal abhebt. Das Fahrzeug beschleunigt, um zwei Kräfte zu überwinden – die Schwerkraft der Erde und den atmosphärischen Luftwiderstand.

Bild von rocketmime.com

Wenn die Trägerrakete den ganzen Weg senkrecht nach oben fährt, erreicht sie die erforderliche Höhe, fällt aber herunter, da sie nicht in eine Umlaufbahn um die Erde eintreten wird. Wenn das Fahrzeug jedoch horizontal gestartet wird, macht die in der Atmosphäre verbrachte Zeit den Treibstoffbedarf unerschwinglich.

Eine ideale Flugbahn erreicht die erforderliche Position mit minimalem Treibstoffverbrauch und minimaler Belastung der Raketenstruktur (was Gewicht spart). Dies wird normalerweise durch die Verwendung von "Schwerkraftdrehung" oder "Zero-Lift-Drehung" erreicht, bei der die Schwerkraft (die anfänglich senkrecht zur Längsachse der Trägerrakete steht) verwendet wird, um den Geschwindigkeitsvektor beim Aufstieg in Richtung Umlaufbahn zu drehen, anstatt die Fahrzeuge an Bord Treibmittel.

Grundsätzlich wird, sobald das Fahrzeug die Startplattform verlässt, ein Pitchover-Manöver ausgeführt (normalerweise durch Aufhängen der Raketentriebwerke), bei dem ein Teil des Schubs auf eine Seite gelenkt wird und ein Nettodrehmoment am Fahrzeug erzeugt wird.

Bild von spaceflightsystems.grc.nasa.gov

Nun ist ein kleiner Teil der Gravitationskraft senkrecht zur Längsachse gerichtet. Dies ist der Beginn der Gravitationswende. Nachdem der Pitchover abgeschlossen ist, werden die Triebwerke so zurückgesetzt, dass sie wieder gerade nach unten in die Achse der Rakete zeigen. Von diesem Punkt bis zur Umlaufbahninjektion wächst die transversale Schwerkraftkomponente weiter (da die Schwerkraft die Rakete im Grunde um ihre Querachse dreht) und bewirkt, dass sich der Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs beim Aufsteigen in Richtung Horizont dreht (indem die Raketennase in Richtung Boden gedreht wird). .

" Schwerkraftwende - Phase 2 " von AndrewBuck - Eigene Arbeit. Lizensiert unter CC BY-SA 3.0 via Commons .

Bei einer richtig ausgeführten Schwerkraftdrehung ist diese Schwerkraft die einzige Kraft, die auf die Rakete wirkt, um die Rakete zu drehen, wodurch Kraftstoff gespart wird (es kann einige Korrekturen durch Wind geben, diese sind jedoch vernachlässigbar). Außerdem wird der Anstellwinkel auf (nahezu) Null reduziert, wodurch aerodynamische Querkräfte reduziert und ein leichteres Fahrzeug ermöglicht werden.

Der genaue anfängliche Neigungswinkel hängt von der jeweiligen Trägerrakete, der Startzeit, dem Orbitalziel usw. ab.

Bei Saturn V wird dieses Manöver 000:00:13 Sekunden nach dem Start eingeleitet, nachdem die Rakete etwa 450 Fuß abgehoben hat.

Nach dem Verlassen des Turms wird ein Kipp- und Rollmanöver eingeleitet, um die Fluglage und die richtige Ausrichtung für den ausgewählten Flugazimut zu erreichen. Der Startazimut beträgt 90 Grad; Der Flugazimut kann je nach Startzeit und -datum zwischen 72 und 108 Grad variieren. Vom Ende des Neigungsmanövers bis zur Neigungsarretierung fliegt das Fahrzeug ein Neigungsprogramm (voreingenommen für die Winde des Startmonats), um eine Trajektorie nahezu ohne Auftrieb (Schwerkraftumkehr) bereitzustellen.

Im Fall des Space Shuttles wird das Manöver eingeleitet, bevor das Raumfahrzeug den maximalen dynamischen Druck (als "max q" bezeichnet) erfährt.

Das Wankmanöver wird kurz vor Erreichen von max q durchgeführt, weil diese "Kopf-unten"-Ausrichtung dazu beiträgt, die Belastungen zu verringern, die die dynamischen Druckbelastungen auf die Fahrzeugstruktur verursachen.

Der zweite Faktor, den wir berücksichtigen müssen, ist, dass das Shuttle für jede Mission in einem bestimmten Azimutwinkel starten muss, um in die richtige Umlaufbahnebene eingesetzt zu werden. Da die Startrampe (und damit das Shuttle) in einer festen Position sitzt, muss das Shuttle während des Aufstiegs ein Rollmanöver ausführen, um sich selbst zu orientieren, um den gewünschten Startazimutwinkel zu erreichen.

Die verwendeten Begriffe könnten Sie verwirren, da sie nicht immer dasselbe bedeuten. Grundsätzlich gibt es 2 verschiedene Manöver

1. Rollenprogramm wie in Rollen, um Azimut auszurichten: Hier rollt die Rakete, um die Achse, um die sie sich neigt, orthogonal zu ihrer gewünschten Umlaufebene auszurichten (es ist komplizierter, aber das ist das Wesentliche). Dies bedeutet, dass seine Schwerkraftdrehung nur mit Steigung erreicht werden kann, was bedeutet, dass es viel einfacher zu berechnen ist, insbesondere in älteren Flugcomputern. Es verringert auch das Risiko einer Gimbal-Verriegelung .
2. Pitch-Programm: Hier neigt sich die Rakete (die auf ihre gewünschte Ebene ausgerichtet ist), um eine Schwerkraftkurve zu beginnen (meistens eine Schwerkraftkurven-ähnliche Flugbahn). In einer reinen Schwerkraftkurve behält die Rakete ihren Anstellwinkel 0 bei und dreht sich, wenn die Schwerkraft das Raumschiff zum Boden hin beschleunigt. Wenn die Rakete nicht gerade nach oben zeigt, führt dies dazu, dass ihre zusammengesetzte Geschwindigkeit etwas mehr nach unten zeigt. Indem die Rakete kontinuierlich ihrem Geschwindigkeitsvektor folgt, führt sie eine "Wende" aus. Die Drehung wird also nicht durch die Schwerkraft verursacht, sondern durch die Rakete, die ihrem Geschwindigkeitsvektor folgt.

Im Fall des Space Shuttles werden diese Manöver zu einem, dem so genannten Rollprogramm, kombiniert. Die Schwerkraftwende ist die Quelle der Leistungssteigerungen. Sie können mehr darüber auf Wikipedia lesen