Aceleraciones de lanzamiento: valores, historia

Fuerzas G de ascenso

El informe de vuelo del lanzador Apolo 11 AS-506 contiene un bonito gráfico de la curva de fuerza G de ese famoso lanzamiento de Saturno V:

En este gráfico, puede ver que, fuera de la plataforma, la primera etapa del Saturno V produce alrededor de 1,2 g; esto aumenta rápidamente a medida que disminuye la resistencia atmosférica y se consume la masa de combustible. El motor central se apaga intencionalmente para limitar la aceleración, y los cuatro fuera de borda siguen presionando hasta un máximo de aproximadamente 3,9 g. Esta es la aceleración más alta en la misión hasta el reingreso y el aterrizaje.

Las etapas superiores son menos dramáticas en su aceleración pero siguen curvas crecientes similares; la curva de la segunda etapa desciende una vez para el corte del motor central y una vez más cuando se cambia la proporción de combustible a oxidante ("Cambio EMR" en el gráfico, para Relación de mezcla del motor); esto se hace para optimizar I _sp en el vacío , con la sincronización elegida dinámicamente para asegurar el agotamiento simultáneo de combustible y comburente. El corte temprano del motor central de la segunda etapa se realiza para reducir las vibraciones longitudinales (pogo) en lugar de limitar la aceleración; esto fue instituido a partir del vuelo Apolo 10.

La tercera etapa no usa todo su combustible en esta parte de la misión; la mayor parte de la carga de combustible es para la inyección lunar posterior, y es por eso que su curva de aceleración es tan plana en comparación con las demás.

Las misiones Mercury-Atlas fueron más dramáticas: 1,35 g fuera de la plataforma, alcanzando un máximo de alrededor de 7 g justo antes de que los motores de refuerzo se apagaran y descendieran, subiendo nuevamente a casi 8 g antes de que el sustentador se quedara sin combustible.

Aquí está Mercury-Atlas 7 :

Gemini-Titan alcanzó su punto máximo por encima de los 7 g en la segunda etapa. Aquí hay una trama del informe de la misión Gemini VIII:

Tanto Atlas como Titan fueron diseñados como misiles balísticos intercontinentales, por lo que no están realmente optimizados para la comodidad humana.

El transbordador espacial fue mucho más suave en comparación; en el desgaste del refuerzo sólido, alcanzó el primer pico de 2,5 g, cayendo brevemente un poco por debajo de 1 g y luego volvió a subir lentamente a 3 g en los motores principales; la red eléctrica se redujo repetidamente para mantener alrededor de 3 g durante poco más de un minuto.

Creo que Soyuz tiene menos de 4g en el lanzamiento.

En igualdad de condiciones, un lanzamiento de mayor g puede ser más eficiente en combustible, porque se pierde menos energía por la gravedad al ponerse en órbita más rápido, y las pérdidas por gravedad normalmente dominan sobre las pérdidas por arrastre. Mantener el STS a 3 g fue un objetivo de diseño desafiante: es difícil incorporar una capacidad de aceleración profunda en un motor, pero el transbordador fue diseñado para transportar cargas útiles relativamente frágiles. Soyuz es un poco un compromiso allí.

Falcon 9 comienza a aproximadamente 1,15 g y, dependiendo de la carga útil, tendría una aceleración máxima en la primera etapa de alrededor de 4,5 g, pero parece acelerar sus motores hacia el final de la quema de la primera etapa para mantenerse cerca de 3,5 g.

Fuerzas G de reingreso y aterrizaje

No he encontrado un buen gráfico de serie temporal de la fuerza de reentrada, pero los picos son relativamente breves: la fuerza aumenta a medida que la cápsula desciende al aire más denso, pero disminuye a medida que la cápsula se ralentiza, por lo que cuanto mayor sea la fuerza g de desaceleración, más corta va a durar

Los astronautas de Mercurio tomaron alrededor de 11 g de fuerza máxima en el reingreso, Apolo alrededor de 6,5-7 g. El transbordador espacial fue increíblemente suave, con una fuerza de reentrada de solo 1,6 g.

Nuevamente, Soyuz hace alrededor de 4g aquí, creo.

También puede haber una sacudida bastante buena en el momento del aterrizaje/amerizaje. Algunos de los Apollo golpean olas crecientes al final del viaje para un golpe muy breve de 15 g.

Las fuerzas g de STS y Soyuz son necesariamente bajas, nuevamente, porque llevan tripulaciones civiles. En el caso del transbordador, nuevamente, es una consideración de diseño importante: el reingreso suave significa que el barco tiene que lidiar con un período prolongado de alta carga térmica, lo que requiere baldosas cerámicas sofisticadas y vulnerables en lugar de un simple escudo térmico ablativo.

Para responder a su segunda pregunta sobre la experiencia de los astronautas y cuánto pensaron en ajustar el perfil de fuerza g de un lanzamiento, la NASA publicó un documento que contiene información sobre el rango de supervivencia de la fuerza g de un ser humano.

Aquí está el Papel , la figura relevante que desea es la Figura 5, que está aproximadamente a la mitad de la página. La figura es un gráfico de las fuerzas g en el eje y y el tiempo en el eje x con regiones resaltadas de capacidad de supervivencia.

Fig. 5 - Tolerancia del tiempo humano: aceleración