Wie vermeidet die erste Stufe von Falcon 9, dass sie beim Wiedereintritt verbrennt?

Nachdem eine erste Stufe von Falcon 9 nach einer Startmission erfolgreich gelandet ist, möchte ich wissen, wie die erste Stufe ein Verbrennen vermeiden kann, wenn sie wieder auf die Erde zurückkehrt.

Am Boden der Rakete scheint sich kein Hitzeschild zu befinden, und ich gehe davon aus, dass sich die erste Stufe weit über der Atmosphäre befinden würde, was bedeutet, dass sie wieder eintreten müsste.

Ich habe auch während des letzten anständigen Videos bemerkt, dass die Triebwerke der ersten Stufe paarweise mit sehr niedrigem Schub für etwa 5 Sekunden pro Zyklus feuerten und dann zu einem anderen Paar wechselten. Dies hilft höchstwahrscheinlich beim Abschirmen des Fahrzeugs unter Verwendung der Abgase während des kritischsten Teils des Wiedereintritts.
@svrima Ich bin mir ziemlich sicher, dass sie die Motorpaare nicht wechseln. Nur 3 Motoren können neu gestartet werden.

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Die Hitze des Wiedereintritts hängt stark von der Geschwindigkeit ab. Die zweite Stufe der Rakete ist dafür verantwortlich, den größten Teil der für die Umlaufbahn erforderlichen Geschwindigkeit bereitzustellen, nachdem die erste Stufe sie aus der dichten Atmosphäre gehoben hat.

Falcon 9 trennt seine erste und zweite Stufe mit relativ niedriger Geschwindigkeit, sodass sein Wiedereintritt drastisch langsamer beginnt als ein Wiedereintritt aus der Umlaufbahn – etwa 1650 m/s für den Rückflug zum Startplatz im Dezember 2015 im Vergleich zur Umlaufgeschwindigkeit von 7700 m/s. Die Stufentrennung kann bei ihren Landungsflügen in niedriger Reichweite ein bisschen schneller sein, aber die erste Stufe bewegt sich immer noch viel langsamer als die Umlaufgeschwindigkeit.

Das liegt jedoch immer noch bei Mach 5 oder 6, was viel Wärme erzeugt. Also zündet die Rakete drei ihrer Triebwerke, um weiter abzubremsen, bevor sie in den dickeren Teil der Atmosphäre eindringt. Auch die Abgasfahne dieser Verbrennung zwingt die atmosphärische Kompression, die die Wiedereintrittswärme erzeugt, dazu, weit von der Rakete entfernt zu sein.

Das Endergebnis ist, dass die Wärmebelastung gering genug ist, dass der Körper der Rakete sie überstehen kann.

An der Unterseite der Rakete befindet sich eine Schutzhülle anstelle eines schweren ablativen Hitzeschilds. Die Triebwerksglocken selbst tragen die Hauptlast der Wiedereintrittswärme und sind offensichtlich in der Lage, mit sehr hohen Temperaturen fertig zu werden.

Hat SpaceX Erklärungen/Daten zur Rückkehr der ersten Stufe veröffentlicht?
Was meinst du besonders? Sie haben viele Informationen herausgegeben.
Ich entschuldige mich, ich meine in Bezug auf die Herausforderungen, bei der Rückkehr nicht die erste Stufe zu verbrennen.
Ich habe nicht viel über Hitze gesehen, nein. Hier ist die allgemeine Strategie: spacex.com/news/2015/06/24/why-and-how-landing-rockets
Sie haben auch erklärt, dass die Gewichtsstrafe für einen Hitzeschild und andere Merkmale, die erforderlich wären, um die zweite Stufe (die von der Orbitalgeschwindigkeit wieder eintreten würde) wieder herzustellen, unerschwinglich ist und sie es für die Falcon-Serie nicht versuchen werden.
Bestätigt! Der Physiker Mark Adler erklärte, dass die ursprüngliche(n) erste(n) Stufe(n) verglüht waren, woraufhin SpaceX das erneute Zünden der Haupttriebwerke hinzufügte, um die Rakete ausreichend zu verlangsamen, um ein Verbrennen zu vermeiden. quora.com/…
Interessanterweise hatte ich nicht gehört, dass es beim Wiedereintritt einen unerwarteten Verlust der ersten Stufe von Falcon 9 gegeben hatte. Mark Adler ist Stammgast hier, vielleicht bringt er Licht ins Dunkel.
Die aerodynamische Erwärmung hängt mit der Geschwindigkeit hoch 3 zusammen !
Das stimmt @BrianLynch! Ich vergesse immer - die Widerstandskraft ist Geschwindigkeit zum Quadrat , aber Arbeit ist Kraft mal Entfernung , also ist Kraft Kraft mal Geschwindigkeit oder Geschwindigkeit hoch drei .
Aber die Aufheizzeit wird verkürzt, weil Sie schneller fertig sind, sodass die Gesamtwärme, die behandelt werden muss, einen niedrigeren Proportionalitätsexponenten hat.

Hier ist ein Bild von der Unterseite der Bühne vor dem Start.

F9 erste Stufe

Wie Sie sehen können, ist der gesamte Boden mit weißen Paneelen bedeckt. Ich vermute, dass diese Platten ein Hitzeschild sind.

Diese Pressemitteilung von SpaceX zur Einführung des Falcon 9 v1.1 bezieht sich auf einen Hitzeschild. Der Hinweis ist etwas schräg, aber ich denke, das bezieht sich auf die erste Stufe.

Hier ist der gleiche Bereich nach einer erfolgreichen Landung:

nach der Landung

Die Platten sind jetzt schwarz verkohlt, aber noch intakt.

Hier ist ein Infrarotvideo , das zeigt, dass die Rakete ziemlich heiß wird – an einem Punkt glüht sie rot, und das ist, bevor die Triebwerke für den Wiedereintrittsbrand gestartet werden.

BEEINDRUCKEND! Diese Fotos fügen viel Perspektive hinzu, was der Grund des Felsens durchläuft. Danke für die Ergänzung!
Hobbes, Sie übertreiben vielleicht etwas, dass die Paneele für den Aufstieg nicht vorhanden sein müssen. Wie Sie in diesem Bild nasa.gov/sites/default/files/images/… sehen können, hatte STS auch dort eine Menge Hitzeschilde. Es gibt eine enorme Abgasrückführung an den stumpfen hinteren Enden dieser Trägerraketen, wenn sie in die dünne Atmosphäre gelangen. Sehen Sie auch, wie verbrannt das hintere Ende des ET wurde. upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/External_Tank.jpg Nichts von dieser Isolierung war für den Eintritt bestimmt.
Interessantes Video. Ich möchte die logische Kette in Bezug auf die Notwendigkeit des Hitzeschilds nicht in Frage stellen. Ich denke, dass sowieso eine fundiertere Interpretation von Videos erforderlich ist. Woher wissen wir, dass das "es glüht glühend heiß" ausschließlich auf den Wiedereintritt zurückzuführen ist und nicht einfach eine Folge davon ist, dass der Motor nach dem Aufstiegsfeuer noch heiß ist? Die Farbskala ist nicht eindeutig. Ich vermute, es wurde nicht für das erwartete Oberflächenemissionsvermögen kalibriert - nicht zuletzt, da wir erwarten würden, dass sich dies im Flug ändert - es misst die IR-Strahlung, nicht die Temperatur. Wir können nicht sehen, ob die Farbe Weiß 200 Grad oder 1000 Grad bedeutet.
@OrganicMarble: Ich ging aus dem Gedächtnis, es gibt einen Triebwerksabschnitt der ersten Stufe der Ariane 4 auf der ESTEC Space Expo, in dem die Triebwerke freigelegt sind. Aber beim Durchsuchen meiner Dateien, die ich in Flughardware sehe, wurde dieser Abschnitt behandelt.
@Puffin, das IR-Video hat rechts eine Temperaturskala. Ich nehme an, die Zahlen sind Temperaturen in K. Die Skala ändert sich an verschiedenen Stellen im Video. Ich stimme zu, dass die Interpretation des Videos teilweise Vermutungen ist, aber dieses Video war das Ergebnis eines bewussten Versuchs, wissenschaftliche Daten zu erhalten. Ich halte es für unwahrscheinlich, dass die Kamera nicht kalibriert war, da es keinen Sinn hätte, dies alles zu tun, ohne zu wissen, welche Daten Sie gesammelt haben.
@Hobbes Ich habe mir die Skala jetzt mit einer besseren Brille angesehen, die regelmäßigen Zahlen ändern sich ständig, ist mir immer noch ein Rätsel. Ich stimme zu, dass es von Wert ist, es ist nur, dass die Schöpfer nicht so viel wie möglich an uns weitergegeben haben. Für mich kann eine IR-Kamera nur Wärmeleistung messen. Man müsste den Emissionsgrad (vielleicht = 1,0, obwohl es in dieser Hinsicht nicht offensichtlich ist, dass blankes Metall = Ruß = Wolke ist) und auch die Absorption der entfernten Kamera kalibrieren. All dies ist jedoch eine Ablenkung: es "glüht" nach MECO, während seines Manövers, um aus der Wolke der 2. Stufe herauszukommen, und danach.
Sie haben sicherlich Recht, dass bei einigen Boostern die Motoren einfach heraushängen. tutorials.nti.org/wp-content/uploads/2015/04/… Aber wie bereits erwähnt, gibt es Gegenbeispiele.
@Puffin In diesem Screenshot vom Anfang dieses Videos heißt es " Farbskala: MWIR-Sensor zählt ". Counts bezieht sich auf ADC-Counts ( suchen Sie hier nach dem Wort „count“) oder lesen Sie die Antworten auf diese Frage . Ein MWIR-Signal zuverlässig in absolute Temperatur umzuwandeln, wäre mehr als nur ein bisschen knifflig.
"Verkohltes Schwarz" - könnte das nicht die gleiche Rußbildung sein, die wir an den Seitenwänden des Landungsstegs gesehen haben?
Ich bin mir ziemlich sicher, dass das nicht wirklich verkohlt ist. Verkohlt würde einen ablativen Hitzeschild implizieren, und der ist nicht ersatzlos wiederverwendbar, wie es der F9 sein soll.
Wie vermeidet die erste Stufe von Falcon 9, dass sie beim Wiedereintritt verbrennt?
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