¿Cuáles son los desafíos de dar la vuelta a la etapa de un cohete y encender sus motores en un viento supersónico?

Así que fui al enlace en una pregunta reciente y descubrí que SpaceX gira su primera etapa mientras avanza, qué, varios km/s en la atmósfera superior, reinicia 3 de los motores y dispara retrógrado para reducir la velocidad de la etapa y conseguirlo. regresando a la plataforma de lanzamiento. Además de darme cuenta de repente de que había fallado absolutamente en apreciar las distancias involucradas en esta maniobra, tuve un verdadero 'Espera, ¿qué?' momento cuando se piensa en girar alrededor de un tubo en su mayoría hueco a esas velocidades incluso en una atmósfera delgada, apuntando con precisión retrógrada y manteniéndolo así mientras reduce la velocidad sin perder el control.

Eso suena estupendamente difícil. ¿Lo es? ¿Cómo lo gestionan? (El enlace es a un buen artículo en Aviation Week sobre los datos que la NASA recopiló del lanzamiento del CRS-4 en septiembre durante la quema retrógrada, que se espera usar para el diseño de la desaceleración propulsora en Marte).

Realmente pensé que parte del desafío sería que los gases de escape calentaran el aire por el que está a punto de volar... pero tal vez eso sea insignificante en comparación con el calentamiento por compresión, y parece que hay suficientes desafíos además de eso.

Respuestas (1)

  1. Hacer que el extremo comercial del cohete sobreviva a la presión dinámica y al calentamiento de enfrentar el flujo, donde, en general, esa parte del cohete no está diseñada para ser aerodinámica. Este es un desafío ya sea que los motores estén encendidos o no. Tener los motores en marcha puede ayudar un poco aquí, rechazando el flujo en esas boquillas, pero no están haciendo funcionar todos los motores.

  2. Arrancar un motor con un flujo supersónico incidiendo en la tobera. Esto puede o no ser un desafío, pero realmente no lo sabes hasta que lo intentas. Es, por decirlo suavemente, problemático simular o probar en el suelo.

  3. Apuntar el palo hacia el viento antes de entrar no es demasiado difícil, pero mantenerlo apuntando hacia el viento es fundamental. Solo un poco fuera y las fuerzas laterales en el fuselaje pueden abrumar la autoridad de control de las boquillas cardánicas, voltear el vehículo y someterlo a fuerzas laterales que pueden romper el vehículo. Intenta que la estructura del vehículo de lanzamiento sea lo más ligera posible, de modo que no esté diseñada para soportar cargas de presión dinámicas completas desde el lateral.

  4. Una vez en el flujo supersónico, los efectos aerodinámicos del extremo comercial desordenado del cohete pueden ser complicados, lo que hace que el control sea un desafío. Puede tener efectos contrarios a la intuición que redirigen el flujo en direcciones inesperadas en diferentes ángulos de ataque.

  5. Predecir el efecto de los motores en marcha sobre la resistencia es un desafío. Los penachos de empuje tienden a reducir la resistencia, contrarrestando en parte la intención de encender los motores para aumentar la desaceleración. Con suficiente relación de empuje a arrastre, esto no es un obstáculo, pero debe poder predecir qué tan grande es el efecto para saber si tiene suficiente combustible. Este impacto en la resistencia también complica lo que sucede cuando se cardan el motor, que es parte del desafío en el n.° 4. Una vez más, la alta relación empuje-resistencia puede reducir las sorpresas aquí.

Wow, ahora el logro de SpaceX se ve absolutamente brillante.
@iamcreasy Gracias por el enlace. Ver que eso suceda es genial. Obtener suficientes datos de un lanzamiento para modificar este diseño parece un gran desafío en sí mismo. Incluso ejecutar una simulación virtual precisa me parece difícil.
Seguramente se implementaría de manera similar al empuje inverso en los motores a reacción; redirigir las boquillas en lugar de un 180 en el fuselaje...?
No. Es un 180 en el fuselaje.
El video al que Iamcreasy está vinculado tiene el título "Régimen de retropropulsión relevante de Marte" alrededor de la 1:50. esto me sorprende Supongo que 70 km de altitud tendrían una densidad comparable a la atmósfera de Marte. Pero la velocidad de entrada a Marte sería de alrededor de 6 km/s, un poco más alta de lo que imagino que entra en la primera etapa del Falcon.
En Marte no enciendes los motores al entrar. Deje que la atmósfera reduzca la velocidad del vehículo tanto como sea posible, y espere hasta que esté bastante cerca del suelo y vaya mucho más lento que en la entrada, para encender los motores.
"Arrancar un motor con un flujo supersónico que sube por la boquilla": el flujo supersónico no "sube" por la boquilla, ya que la cámara está sellada, lo que significa que no hay salida. En su lugar, formará un choque permanente en la base de la campana del motor, alrededor del cual se derramará el flujo.
@MarkAdler: "tanto como sea posible" para un vehículo grande en Marte no es tanto como le gustaría. La velocidad terminal de un ser humano (por ejemplo) es más o menos la velocidad del sonido, y el cubo cuadrado significa que las cargas útiles más grandes generalmente caerán más rápido.
@SteveLinton Es por eso que para Marte, los sistemas EDL de los vehículos móviles y de aterrizaje siempre despliegan grandes paracaídas antes de iniciar la fase de retropropulsión.
Una ventaja menor de la geometría y las propiedades de masa de la palanca: después de la separación, los motores tienen la mayor concentración de masa de todo el conjunto, esto concentra la masa en la "cola", moviendo el CM hacia atrás y haciendo que la palanca sea más o menos aerodinámicamente estable. . Sin embargo, eso es solo levemente estable, no sólido como una roca, y sin un control activo permitiría grandes excursiones de actitud.
Claro, pero los paracaídas son de un solo uso (más o menos) y de mucha masa. Creo que el objetivo de la investigación sobre la retropropulsión es obtener una solución más reutilizable (o aterrizar cargas útiles aún mayores).
@SteveLinton: aún puede obtener desde ~7,5 km/s hasta menos de 1 km/s ( spaceflight101.com/spx/wp-content/uploads/sites/113/2017/09/… ). La lucha con las sondas de Marte ha sido lograr que el vehículo de aterrizaje sea subsónico para que pueda abrir paracaídas, ya que se desconocía la viabilidad de la retropropulsión supersónica. El "régimen de retropropulsión relevante para Marte" fue relevante porque es similar a las condiciones de vuelo supersónico para una gran nave que realiza un aterrizaje motorizado en Marte... no es necesario que sea subsónico primero si la retropropulsión supersónica funciona.
@SteveLinton "tanto como sea posible" puede ser más de lo que piensas. Puede obtener una entrada de 6 km/s hasta ~1 km/s con solo un cuerpo romo (sin paracaídas). Eso es exactamente lo que se planeó para el concepto Red Dragon, que no encendería los motores hasta que estuviera unos (aterradores) kilómetros por encima de la cubierta.
Creo que estamos furiosamente de acuerdo. Mi punto era que no puedes ser subsónico, así que necesitas explorar este régimen. Nunca quise sugerir que tienes que frenar desde las velocidades de entrada.
¿Cuáles son los desafíos de dar la vuelta a la etapa de un cohete y encender sus motores en un viento supersónico?
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