Wie spitz muss der Nasenkegel einer Rakete sein?

Wenn Raketen größer werden, nimmt die Bedeutung des Luftwiderstands im Verhältnis zur Masse ab (der Luftwiderstand verläuft im Allgemeinen proportional zum Querschnitt und zur Oberfläche, während die Masse im Allgemeinen proportional zum Volumen verläuft). Daher haben große Raketen tendenziell weniger spitze Nutzlastverkleidungen, die mehr nützliches Volumen nach Masse bieten, wie die Antwort von Hobbes zeigt.

Qu8k war eine kleine Rakete, die mit dem einzigen Ziel entwickelt wurde, eine Höhe von 100.000 Fuß (30 km) unter den Regeln des Carmack Micro Prize zu erreichen ; Es wurde über ein Wochenende entworfen und nahm einige Abweichungen von normalen Amateur-Raketenkonventionen im Namen der Reduzierung des Luftwiderstands:

Die meisten Pads erfordern die Verwendung einer Startöse oder Schienenführung. Diese hervorstehenden Teile einer Rakete erzeugen viel Luftwiderstand. Durch das Entfernen dieser Teile zeigten Simulationen, dass ich die Spitzenhöhe um über 10.000 Fuß erhöhen konnte. Der Wunsch, den Luftwiderstand niedrig zu halten und die volle Kontrolle darüber zu haben, wann das Pad eingerichtet und für den Start verfügbar sein würde, veranlasste mich, meinen eigenen Startturm zu bauen.

Der von Hobbes verlinkte Wikipedia- Artikel zum Design von Nasenkegeln erwähnt, dass konische Spitzen häufig wegen der einfacheren Herstellung gegenüber komplexeren Formen gewählt werden, und dies war wahrscheinlich der treibende Faktor für Qu8k. Dieses Diagramm von dieser Seite zeigt, dass Zapfen im transsonischen Regime tatsächlich schlechte Leistungen erbringen. Qu8k erreichte seine Höchstgeschwindigkeit von etwa Mach 2,8 bei nur 5 km (17.000 Fuß), was bedeutet, dass es viel Zeit in dichter Luft bei Geschwindigkeiten verbringt, bei denen eine konische Nase nicht ideal ist:

Vergleich der Luftwiderstandseigenschaften verschiedener Nasenkonusformen im transsonischen bis zum Low-Mach-Bereich. Rankings sind: überlegen (1), gut (2), fair (3), minderwertig (4).

Vermutlich bestand der Kompromiss hier darin, dass Deville wusste, dass er einen konischen Nasenkegel herstellen konnte, und seine Simulationen sagten, dass er bis zu 100.000 Fuß reichen würde, also nahm er diesen Weg; Ich stelle mir vor, dass er mit mehr Zeit und Mühe eine etwas kleinere Rakete mit einer Haack / von Kármán-Nase hätte bauen und die Zielhöhe erreichen können, aber in der Raketenentwicklung ist es sehr selten, dass Sie jemals nur für einen Faktor optimieren.

Das Diagramm zeigt die Leistung von Kegelspitzen mit kugelförmiger Spitze nicht getrennt von reinen Kegelspitzen, aber ich vermute, dass eine Spitze mit einem Radius von 1 cm bei dieser Rakete ein unbedeutender Unterschied gewesen wäre: etwas mehr Zeit in der Werkstatt, um die Spitze nach unten zu schleifen, und a Es ist kaum wahrscheinlicher, dass es versehentlich etwas durchbohrt, während es gehandhabt wird, und es ist immer noch in der Lage, 100.000 Fuß zu brechen.

Stumpfe Nasen, insbesondere im Fall des Shuttle Orbiter, sind auch ein thermischer Aspekt. Vereinfacht ausgedrückt: Wenn ein Fahrzeug mit Überschallgeschwindigkeit fährt, entsteht an der Nase eine Stoßwelle, „weil die Luft sonst nicht schnell genug aus dem Weg käme“. Diese Welle erzeugt eine große Komponente des Gesamtwiderstands, insbesondere bei Überschallgeschwindigkeit (Mach > 5). Eine schlankere, glattere Flugzeugzelle mildert diesen Luftwiderstand.

Ein Großteil der Energie von Luftpartikeln, die auf diese Schockwelle auftreffen, wird in Wärme umgewandelt, die das Gas ionisiert und die „Flammen“ erzeugt, die um wieder einfahrende Fahrzeuge herum zu sehen sind. Bei einer schlanken, spitzen Nase ist die Stoßwelle nicht so unmittelbar intensiv, sodass sie näher an der Flugzeugzelle haftet, insbesondere an der Spitze. Die Hitze im Zentrum der Schockwelle ist sehr intensiv und reicht aus, um die meisten dem Menschen bekannten Materialien zu schmelzen oder zu schwächen.

Um das Schmelzen der Spitze zu vermeiden, kann die Nase stumpf gemacht werden. Eine stumpfe Spitze erzeugt eine sofort stärkere Stoßwelle, die weiter von der Nase weggedrückt wird. Während dies den Gesamtwiderstand erhöht, gibt es Gewichts- und Wärmeeinsparungen, da die Wärme an der Nasenspitze nicht isoliert/abgeführt werden muss.

Hier gibt es einen Kompromiss, der Design für Design bewertet werden muss, um zu entscheiden, welche Spitzenstruktur und welches Material am besten ist.

Orbitalraketen haben im Allgemeinen keine so scharfen Nasen. Hier als Beispiel eine Ariane 5 :

Sie können sehen, dass es einen großen Radius an der Spitze gibt. Ausgehend von einem maßstabsgetreuen Modell, das ich zur Hand habe, würde ich sagen, dass der Radius etwa 0,5 m beträgt.

Auch die Falcon 9 Verkleidung hat einen großen Radius :

Das Apollo LAS hatte eine Kugel , die in die Spitze eingebettet war.

Das Nasendesign mit dem geringsten Luftwiderstand scheint das Haack/von Karman- Design zu sein, das eine abgerundete Spitze verwendet.

Als Gegenbeispiel zu einigen Aussagen in den anderen Antworten ... war die tatsächliche äußerste Spitze des Shuttle-Stapels überraschend scharf ....

(persönliches Foto)