Wie stabil wäre eine Falcon 9-Erststufe, nachdem sie auf einem Drohnenschiff gelandet ist?

Es gibt nicht viele zuverlässige Daten, um dies selbst abzuschätzen, und SpaceX gibt nicht gerade Details bekannt. Oder vielleicht doch, aber die Medien stellen bei Pressekonferenzen nicht die richtigen Fragen. Bisher ist der einzige einigermaßen zuverlässige Datenpunkt der abgebrochene Wiederherstellungsversuch während des DSCOVR-Starts am 11. Februar 2015;

Laut SpaceX-Pressemitteilung :

Das Drohnenschiff wurde so konzipiert, dass es bei jedem außer dem extremsten Wetter eingesetzt werden kann. Genau solches Wetter erleben wir im Atlantik mit bis zu drei Stockwerke hohen Wellen, die über die Decks schlagen. Außerdem funktionieren nur drei der vier Triebwerke des Drohnenschiffs, was das Halten der Position angesichts eines solchen Wellengangs äußerst schwierig macht.

Dies würde darauf hindeuten, dass SpaceX zuversichtlich ist, dass sie die erste Stufe auf dem Drohnenschiff landen und stabil halten können, solange es eine stabile Oberfläche zum Landen bieten und die Schwellung des Meeres bei starken Winden in der unteren Atmosphäre glätten kann.

Nun zu ein wenig Spekulation meinerseits; Die Stabilität der gelandeten ersten Stufe, sofern es das Wetter zulässt und alle vier Landebeine ordnungsgemäß ausgefahren und auf der Plattform sind, sollte selbst bei gelegentlichen (nicht orkanartigen) Windböen keine so große Rolle spielen. Praktisch erschöpft von Treibmitteln, mit vielleicht bis zu ein paar Sekunden buchstäblich verbleibenden Kerosindämpfen (deshalb scheint es so schnell zu explodieren, sobald die Treibmitteltanks beim Aufprall durchbrochen werden, oder was Elon Musk eher einem schnellen Feuer als einer Explosion nannte), wäre der Schwerpunkt der ersten Stufe niedrig. Wenn die Position der Befestigungspunkte der Landebeine darauf hindeutet, wo genau, und diese ziemlich niedrig sind, müsste sie im unteren Drittel ihrer Länge liegen, möglicherweise etwas niedriger, da der seitliche Druck auf das Fachwerk mit den Befestigungspunkten zunimmt Abstand zum CoG (Hebelgesetz).

Leider kann ich das nicht analytisch abschätzen, da der ideale Druckwinkel nicht bekannt ist. Bei Konstruktionen, die sowohl in Quer- als auch in Längsachsenrichtung gleichermaßen Druck standhalten können, wären das 45°. Aber Raketenstufen können so nicht gebaut werden, also wäre dieser Winkel wesentlich größer, zugunsten des Drucks entlang der Längsachse (vertikal). Wenn wir diesen Winkel am Befestigungspunktring der Beine (der für seitliche Kräfte verstärkt werden muss, aber wie viel?) und den genauen Punkt des CoG kennen und wir bereits das ungefähre Gesamtgewicht der fast trockenen Landestufe kennen (es wurde während erwähnt die CRS-6-Pressekonferenz nach dem Start), die Bühnenhöhe, wie weit die Beine ausfahren und wie hoch sie die Bühne aufhängen (kann anhand von Fotos geschätzt werden), könnten wir die Stresslinie von CoG in diesem gegebenen Winkel zur Landefläche verlängern und vergleiche das mit der Bühne s Gesamthöhe. Dann könnten wir mit seinem bekannten Gewicht und seiner Oberfläche Windscherungen berechnen, denen es seitlich standhalten könnte, bevor es umkippt. Da uns entscheidende Daten fehlen, konnten leider nicht einmal solche Schätzungen durchgeführt werden.

Wie auch immer, ich wollte dies schreiben, damit wir Daten identifizieren, die wir noch benötigen, um die Stabilität der gelandeten ersten Stufe (grob) zu analysieren, und warum dies mit zu vielen Unbekannten nicht möglich ist. Ich vertraue darauf, dass SpaceX eine umfassende Analyse der (für sie) bekannten strukturellen Eigenschaften ihrer ersten Stufen durchführen kann und getan hat, und werde ihr Wort dafür nehmen - dass, wenn der Lastkahn damit umgehen kann, die gelandete erste Stufe dies auch tun sollte. Aber ich würde eine mögliche zukünftige Verwendung von mobilen Ankerschuhen nicht ausschließen, um die Landebeine mit ihrem Gewicht festzuklemmen, oder andere Mittel, um dies zu erreichen, wenn der Lastkahn mit der wiederhergestellten Bühne darauf an Land zurückkehrt oder vor dem Auftanken und Fliegen es an Land, wie SpaceX angedeutet hat, dass sie dies letztendlich beabsichtigen. Natürlich ist das ultimative Ziel immer noch die Landung auf festem Boden, sobald sie der FAA und anderen Behörden beweisen, dass es sicher ist.

Das ist meine Schätzung des CoG eines fast leeren Falcon 9-Boosters. Links ist GoG mit geöffneten Beinen, rechts mit eingezogenen Beinen.

Das gelandete Fahrzeug ist ziemlich stabil. Es könnte Windgeschwindigkeiten von 50 m/sec (97 Knoten!) standhalten, wenn ein Gleiten verhindert wird. Es gibt relativ enge Grenzen für die horizontale Komponente der Landegeschwindigkeit sowie für die Rotationsgeschwindigkeit beim Aufsetzen, was für vertikale Landungsfahrzeuge nicht ungewöhnlich ist.

Damit ein solches Objekt stabil ist, muss sein Schwerpunkt über der Fläche seiner Basis liegen. Es ist ein bisschen schwierig, genau zu wissen, wo sich der Schwerpunkt in einer solchen Rakete befindet, aber er muss ziemlich niedrig sein, da nur noch wenig Treibstoff vorhanden ist und der Motor einer der schwereren Teile der Rakete ist. Wind ist auch ein Faktor dafür, wie stabil er sein muss, da dies dazu neigt, die Rakete zu neigen. Meine Vermutung ist, dass es vertikal bleiben muss, wobei ein paar Grad Neigung erlaubt sind. Aus der Analyse von Wired geht hervor , dass es mit einem hohen Maß an Unsicherheit die Kontrolle zu verlieren schien, wenn es mehr als 5 Grad Neigung erreichte. Trotzdem würde ich sagen, dass die Rakete innerhalb weniger Grad bleiben muss, sonst bleibt sie nicht stabil.

Was getan werden kann, gibt es eine große Anzahl von Dingen. Die Grundidee ist, wenn man die Rakete am Lastkahn befestigen kann, dann ist es der Schwerpunkt des Lastkahns, der einen Unterschied macht. Wenn Sie die Rakete reparieren können, könnten Sie einfach den Sauerstoff freisetzen, damit die Rakete nicht explodiert. Das Kerosin ist nicht so gefährlich, es eine Weile herumzuhalten, also könnte vermutlich jemand dabei helfen, oder es könnte auf das Ablassen des Sauerstoffs warten.

Die Landebeine spreizen sich ziemlich weit aus. 60 Fuß oder mehr insgesamt um den Kern herum. Der Massenschwerpunkt ist ziemlich niedrig, da die Masse der Motoren ganz unten liegt, und der Rest des Zylinders ist sehr gleichmäßig und leicht.

Sobald es also heruntergefahren ist, erwartet SpaceX, dass es sehr stabil ist. Ihre größere Sorge rutscht herum. Anfangs sagten sie, sie würden Platzhalter über die Füße schweißen, um sie am Deck zu befestigen. Dann begannen Leute zu berichten, dass sie Ketten verwenden würden, um es zu sichern.

Nach der CRS-8-Mission sagte Elon Musk (Abschrift noch nicht verfügbar), dass sie Schuhe über die Füße schweißen würden. Beim Erreichen des Hafens zeigt ein hochauflösendes Foto, dass sie es auch über die Starthalterungen an Deck gekettet haben

Auf detaillierten Fotos wurde gezeigt, dass das Deck viele Befestigungspunkte hat (wie auf einem Flugzeugträger), sodass wahrscheinlich beide Optionen möglich sind.

Dieser Artikel sagt

Jüngste Informationen weisen darauf hin, dass die Rakete über Ketten „festgebunden“ wird, die sich vom Triebwerksabschnitt bis zum Deck erstrecken.

gibt aber keine Quellen an. Es ist nicht klar, ob die Ketten bereits auf der F9 vorhanden sind oder Teil der Struktur der Lastkahnplattform sind.

Da SpaceX den Lastkahn als Drohne bezeichnet, ist nicht klar, wie die Ketten gesichert werden sollen.

Elon Musk gab einige interessante Informationen darüber im Zusammenhang mit der CRS-8-Boosterlandung. Als es auf dem Boden lag, litt es unter Windgeschwindigkeiten von 50 Meilen pro Stunde, die es um etwa 2-3 Grad neigten. Er sagte, dass die maximale Neigung, die der Booster unterstützen könnte, etwa das Dreifache betragen würde, also irgendwo zwischen 6 und 9 Grad. Vermutlich könnte es auch mehr als 50 Meilen pro Stunde Wind brauchen, um dies zu tun.

Im nächsten Schritt werden spezielle Container um die Füße des Drohnenschiffs geschweißt, die als „Steel Shoes“ bekannt sind .

Unter Verwendung der sphärischen Kuhphysik , ohne Schwung und Schwappen (weil die Zeitskalen so unterschiedlich sind), habe ich mir nur angesehen, wo der cm für eine leere F9-1. Stufe mit gleichmäßiger Dichte und eine mit 5% verbleibenden Treibmitteln ist. Ich erhalte statische Kippwinkel von 15° bzw. 18°.

Zusätzliche verbleibende Treibmittel bringen den Schwerpunkt noch weiter nach unten.

Das Zählen lokalisierter Massen wie Schotten und Motoren würde den Massenschwerpunkt weiter senken. Siehe diese Antwort oben!

Das steht nicht im Widerspruch zu Musks Kommentaren , dass 8-9° möglich wären, was wahrscheinlich verschiedene nicht kugelförmige Pferdefaktoren wie Dynamik, Beinkraft (insbesondere wenn sich herausstellt, dass mehr Kraftstoff als erwartet vorhanden ist ) und andere beinhaltet.

HINWEIS: Alle Zahlen sind diejenigen, die ich für diese schnelle Berechnung verwendet habe - sie sind nicht unbedingt korrekt , also verwenden Sie sie nicht!