Wie verbreitet ist die Möglichkeit, einen Motorausfall durch Gimbaling zu kompensieren?

Als ich über ein System zur Schubregulierung durch Beleuchtungs-/Löschtriebwerkspaare diskutierte, erhielt ich eine Antwort:

Es besteht wirklich keine Notwendigkeit, Motoren in diesem Zusammenhang als Paar zu behandeln.

Tatsächlich bin ich mir abgesehen von alten sowjetischen Raketen nicht sicher, ob irgendein Design dies tun würde. Motoren können kardanisch aufgehängt werden, um einen fehlenden Motor auszugleichen.

Mir ist bewusst, dass das Shuttle eine Fehlfunktion des Hauptmotors durch Gimbaling kompensieren könnte, aber mir sind keine anderen Raketen bekannt, bei denen nur ein Seitenmotor abgeschaltet werden könnte und der Rest den versetzten Schub durch Gimbaling kompensieren würde, ohne das zu deaktivieren Motor direkt gegenüber.

Wie häufig oder ungewöhnlich ist diese Lösung? Kann man zum Beispiel einfach plausibel annehmen, dass eine Rakete mit 4 radial angeordneten Triebwerken (zentrales, 5. Triebwerk aus bestimmten Gründen deaktiviert) mit drei Triebwerken weiterfliegen kann, wenn eines der Seitentriebwerke ausgeschaltet ist (ohne viel mehr über die Rakete zu wissen)? ?

Siehe Apollo 6 : „Ein als Pogo-Oszillation bekanntes Phänomen beschädigte einige der Rocketdyne J-2-Triebwerke in der zweiten und dritten Stufe, indem interne Kraftstoffleitungen rissen, was dazu führte, dass zwei Triebwerke der zweiten Stufe vorzeitig abgeschaltet wurden. Das Bordleitsystem des Fahrzeugs war dazu in der Lage zum Ausgleich durch längeres Brennen der zweiten und dritten Stufe, obwohl die resultierende Parkbahn elliptischer war als geplant.
Die gepostete Antwort deckt dies gut ab. Ich wollte nur hinzufügen, dass Sie die Realisierbarkeit einer Lösung in Betracht ziehen sollten, bei der ein Motor abgestellt wird, nachdem bereits einer ausgefallen ist. Das klingt für mich nach einer spektakulär schlechten Idee.
Auch muss man beim Thema „Einseitig abgeschaltet“ klar zwischen Trägerraketen wie dem Shuttle SRB und den Haupttriebwerken unterscheiden. Beide konnten kardanisch aufgehängt werden, aber jeder SRB-Ausfall war nicht behebbar. Im Gegensatz dazu reichte die kardanische Aufhängung der Shuttle-Hauptmotoren aus, um den Betrieb mit zwei Motoren zu unterstützen. (Grundsätzlich reicht die kardanische Reichweite jedes Motors aus, um durch den Schwerpunkt zu zeigen, entweder einzeln oder in Kombination mit einem der anderen Motoren - vorausgesetzt, GNC erfüllt seine Aufgabe, um Lageabweichungen außerhalb des wiederherstellbaren Bereichs zu verhindern.)

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Wie häufig oder ungewöhnlich ist diese Lösung? Kann man zum Beispiel einfach plausibel annehmen, dass eine Rakete mit 4 radial angeordneten Triebwerken (zentrales, 5. Triebwerk aus bestimmten Gründen deaktiviert) mit drei Triebwerken weiterfliegen kann, wenn eines der Seitentriebwerke ausgeschaltet ist (ohne viel mehr über die Rakete zu wissen)? ?

Es ist sehr verbreitet. Ich würde zögern zu sagen, dass Sie es "einfach plausibel annehmen" können, aber die Fähigkeit, einen Motorausfall zu überleben, ist eine sehr nützliche Funktion, und es ist fast kostenlos, sie zu konstruieren, wenn Sie von einer Gruppe von 4 oder mehr kardanischen Motoren ausgehen. Wenn die Motoren nicht zu weit montiert sind, benötigen Sie nur eine kleine Menge an zusätzlichem Gimbaling-Bereich (über das hinaus, was für die nominelle Lenkung erforderlich ist), um den verlorenen Motor auszugleichen.

Es gibt einige Trägerraketen mit bewährter Outboard-Engine-Out-Fähigkeit über Gimbaling.

  • Saturn V: Apollo 6 verlor auf der zweiten Stufe nicht einen, sondern zwei Außenbordmotoren und konnte auf den verbleibenden 3 den Aufstieg in eine etwas schiefe Umlaufbahn fortsetzen. Die ausgefallenen Außenbordmotoren (Nr. 2 und Nr. 3) waren eher benachbart als entgegengesetzt, also Schub war unausgeglichen. Motor Nr. 2 begann ab etwa 70 Sekunden nach Beginn der Verbrennung der zweiten Stufe Kraftstoff zu verlieren und an Leistung zu verlieren, kämpfte jedoch noch einige Minuten weiter, bevor er bei T + 413 vollständig ausfiel, fast viereinhalb Minuten nach Beginn der Verbrennung der zweiten Stufe. Ein Oxidationsmittel-Absperrventil für Nr. 3 wurde fälschlicherweise mit den Steuerungen von Nr. 2 verbunden. Als das Motormanagementsystem versuchte, den Treibmittelfluss zum ausgefallenen Motor zu unterbrechen, tötete es auch Nr. 3. (Weitere ausführliche Details im Fehleranalysedokument von Rocketdyne.) Wenn beide Motoren früh in der Verbrennung verloren gegangen wären, wäre es eine Fahrzeugverlustsituation gewesen.

  • Falcon 9: Der CRS-1- Flug von SpaceX verlor ein Ecktriebwerk (auf dem alten 3x3 Falcon 9 1.0-Layout) und stieg weiter auf.

  • Saturn I: Die Flüge SA-4 und AS-101 flogen erfolgreiche Missionen mit einem einzelnen Triebwerk spät im Erstflug – SA-4 als Test, AS-101 aus Versehen.

Ein Cluster-Engine-Werfer, bei dem ich mir nicht sicher bin, ist die Proton -Rakete; Auf der ersten Etappe hatte es mehrere Startfehler, aber ich glaube nicht, dass es sich dabei um unkomplizierte Motorausfälle handelte. Die 6 RD-253/RD-275-Triebwerke der ersten Stufe befinden sich jeweils nur in einer einzigen Ebene, sodass es Grenzen gibt, wie viel sie zur Entschädigung eines ausgefallenen Triebwerks beitragen können.

Sojus ist möglicherweise nicht in der Lage, den Verlust eines Hilfstriebwerks zu bewältigen. Trotz der Art und Weise, wie die Boosterkörper abgewinkelt sind, scheinen die Triebwerke selbst parallel zur Längsachse der Rakete befestigt zu sein, anstatt durch den Schwerpunkt zu zeigen. Die Stabilität wird eher durch kleine schwenkbare Nonius-Raketendüsen als durch kardanische Aufhängung der Primärdüsen aufrechterhalten, sodass möglicherweise nicht die Steuerautorität vorhanden ist, die erforderlich ist, um einen verlorenen Außenbordmotor auszugleichen. In jedem Fall würde der verbleibende Treibstoff in einem abgeschalteten Booster ungenutzt bleiben (es gibt keine Cross-Feed-Einrichtung), wodurch die Mission wahrscheinlich fehlschlagen würde, selbst wenn die Rakete stabil bleibt.

Die flüssigen Booster auf dem Langen Marsch 3B sind zumindest durch den Schwerpunkt gerichtet ( wie hier besprochen ), sodass der Verlust einer Rakete die Rakete nicht ernsthaft destabilisieren würde; Wie bei Sojus würde der Treibstoff in diesem Booster verschwendet werden.

Im Gegensatz dazu war der einzige Launcher, den ich kenne, der dafür ausgelegt war, einen Triebwerksausfall durch Abschalten des gegnerischen Triebwerks zu bewältigen, der N-1 . Die Triebwerke der ersten Stufe waren nicht kardanisch aufgehängt; Die Lenkung wurde mit Differentialdrossel und Gitterflossen erreicht. Der Verlust eines Triebwerks erforderte daher fast das Abschalten des gegnerischen Triebwerks, aber bei 30 Triebwerken der ersten Stufe wäre der Verlust von zwei Triebwerken nach den ersten Flugsekunden kein Problem.

Das handgezeichnete Diagramm in dieser Zusammenfassung der technischen Informationen zu Apollo 9 zeigt 2 & 3 als benachbart und nicht als entgegengesetzt: ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19700009516.pdf
...aber wie lässt sich das (in 'Gemeinschaft') mit dem Überleben vergleichen, indem man den Motor auf der gegenüberliegenden Seite abstellt?
Viel häufiger; Die einzige Trägerrakete, die ich kenne, die darauf ausgelegt war, ein gegnerisches Triebwerk bei Verlust abzuschalten, war die N-1 mit ihren 30 Triebwerken der ersten Stufe.
Gibt es derzeit verwendete Ionenmotoren, die einen Motorausfall überstehen können?
@MagicOctopusUrn: Da sie beim Aufstieg nicht verwendet werden, ist "Überleben" kein Problem. In einigen Fällen verfügt das RCS-System über ausreichend Delta-V, um die Manöver zu beenden.
@SF Ich meinte, mit Gimbal verwendbar zu sein, vorausgesetzt, 1 von beispielsweise 8-Ionen-Motoren ist ausgefallen. Ich bin mir nicht sicher, wie leistungsstark der Ionen-Gimbal im Vergleich zu Motoren mit höherem Impuls ist.
@MagicOctopusUrn: Werden Ionenmotoren überhaupt mit Gimbal und in einer Anzahl größer als 1 verwendet? (außer den Kolloidgel-RCS-Triebwerken). Sie können den Schub durch elektrostatische Ablenkung ein wenig vektorisieren, und zusätzliche Triebwerke fügen nur Masse- und Energieanforderungen hinzu und geben Schub, aber keinen spezifischen Impuls.
Nicht kardanisch aufgehängt, aber das Dawn-Raumschiff hatte 3 Ionentriebwerke, die in verschiedenen Winkeln montiert waren und jeweils durch den Schwerpunkt zeigten, mit der Erwartung, dass es von einem zum anderen wechseln würde, wenn sie abgenutzt wären. Es wurde immer nur einer verwendet.
Danke für den Link zur Fehleranalyse.
@OrganicMarble Ich war wirklich überrascht zu sehen, wie lange die Nr. 2 nach einer Beschädigung sowohl des Injektors als auch der Schubkammerwand weiterfeuerte.
Wie verbreitet ist die Möglichkeit, einen Motorausfall durch Gimbaling zu kompensieren?
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