¿Los motores de cohetes tienen amortiguadores?

Con un millón de libras de empuje y muchos g de aceleración y una fracción significativa de ag de vibración, conectar el motor al cohete no puede ser trivial.

En el lanzamiento, la masa es muy alta y tal vez la inercia mantiene bajas las vibraciones de baja frecuencia, pero a medida que se agotan los propulsores, tal vez eso se vuelve menos efectivo.

¿Se transmite el empuje del motor a través de la tobera directamente al armazón del cohete? ¿Hay algún intento de amortiguar la vibración?

Acabo de encontrar este video después de ver el de la respuesta de @jlansey a continuación. Puede ver que el motor se mueve verticalmente, pero el marco de prueba no. Al menos en esta configuración de prueba, hay amortiguadores en alguna parte.

En esos automóviles de estilo antiguo que quemaban gasolina de finales del siglo XIX, XX y principios del XXI, los motores tenían soportes de motor : bujes o soportes de goma o algo similar que permitía al motor cierto grado de movimiento/vibración. ¿Los motores de cohetes en vehículos tripulados tienen algo análogo? Supongo que las limitaciones de vibración para los lanzamientos tripulados son más estrictas que para las misiones no tripuladas.

Encontré esta respuesta sobre el aislamiento de vibraciones de los SRB para ser potencialmente utilizados como vehículos de lanzamiento tripulados interesante y relacionado, pero se enfoca en ciertos modos de vibración característicos de los SRB que están casi terminados y básicamente son tubos huecos.

Estoy bastante seguro de que no, pero no puedo confirmarlo lo suficientemente bien como para escribir una respuesta. Si observa mi respuesta a esta pregunta space.stackexchange.com/questions/13691/… puede ver los cojinetes del cardán en los esquemas y los puntos de montaje metálicos donde encajan en la fotografía.
@OrganicMarble Gracias. Confío en su palabra para el Transbordador. Lo he mirado varias veces, pero como no estoy familiarizado con la construcción del transbordador, no puedo visualizar toda la ruta mecánica que transmite el empuje desde la boquilla todo el camino al marco de la lanzadera. ¡Sin embargo, los rodamientos deben ser hermosos!
Es posible que desee ver estrategias de mitigación de oscilación de pogo . No parece exactamente lo que estás pidiendo, pero ciertamente está relacionado.
@MichaelKjörling ¡Qué bueno! Al leer este boletín de vibrationdata.com de 2008 (que se encuentra en su artículo de Wikipedia vinculado), dice: “ El vehículo Apolo 13 tuvo una fuerte vibración pogo con el motor central durante la combustión de la segunda etapa. El motor experimentó una vibración de 34 G a 16 Hz, flexionando el marco de empuje en 5,2 pulgadas de pico a pico... La vibración aparentemente se localizó en el marco del motor... Los astronautas no informaron haber sentido ninguna vibración correspondiente ... "el marco mismo estaba absorbiendo ¡un movimiento del motor de 13 cm pp! ¡Guau!
@uhoh El motor central de la segunda etapa del Apolo 13 también se apagó temprano durante el ascenso ( afortunadamente; aparentemente no fue intencionado), alrededor de las 00:05:32 GET . Eso incluso se menciona en la película de Howard.
He leído, en contra de ese artículo, que el pogo probablemente causó el apagado temprano: cuando el motor viajaba hacia atrás en relación con el sistema de combustible, bajó la presión lo suficiente como para disparar el "fuera de combustible, apague limpiamente ahora" subsistema. Así que el problema afortunadamente creó su propia solución.
@RussellBorogove Sí, eso también lo entendí; sin embargo, fue un efecto secundario no deseado, no una función diseñada o incluso algo que realmente se planeó. De cualquier manera, parece justo decir que deberíamos estar agradecidos de que el motor se apagara limpiamente en respuesta a las oscilaciones; ¡Esas fueron algunas fuerzas serias involucradas!
@RussellBorogove Eso suena bastante a verdad. Y también, afortunadamente, la pérdida de un motor no detuvo la misión, por lo que la "solución" fue una solución viable.
Creo que la actualización podría querer ser una pregunta separada. Creo que el desplazamiento es el resultado de la expansión de toda la estructura después de ser comprimida por el empuje del motor.
@RussellBorogove OK, déjame pensar en hacer eso. La línea entre la mitigación de vibraciones y la flexibilidad estructural puede ser bastante confusa. Estoy mirando la traducción axial de estas dos cosas (F9 2da etapa y RS-25 en el banco de pruebas) y pregunto si alguno de estos movimientos tiene alguna relación con el aislamiento de los astronautas/la carga útil de la vibración del motor. ¿Quizás una reescritura/aclaración?
@RussellBorogove Acabo de ver el video RS-25 nuevamente y veo movimiento transversal pero no traducción axial . Bien, tomé su consejo (nuevamente) y moví esto a una pregunta separada . ¿ Qué sucede (en realidad) cuando este motor F9 de segunda etapa se mueve repentinamente? . ¡Gracias! .
¿El sistema de diluvio cuenta como uno, o solo quiere los que están montados EN el motor?
@Antzi Estoy interesado en la existencia de cosas que reducen las vibraciones del motor que se transmiten al "bastidor del cohete" (perdón por mi falta de palabras técnicas) durante el vuelo. En un automóvil, tenemos amortiguadores y resortes entre las ruedas y el bastidor, y al menos en el pasado había bujes o almohadillas de goma entre el motor y el bastidor, cuando los automóviles eran "normales". Así que supongo que no, el sistema de diluvio no contaría.

Respuestas (4)

He logrado confirmar que al menos el montaje SSME al Space Shuttle Orbiter no tiene ningún amortiguador, como se muestra en este diagrama.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La parte superior del dispositivo se atornilla directamente a la estructura de empuje del Orbiter. La parte inferior se atornilla directamente al cabezal de potencia SSME. La interfaz es un cojinete esférico "simple". No hay disposición para ningún tipo de cumplimiento.

El dibujo es del libro de datos de bolsillo del motor principal del transbordador espacial Rocketdyne RI/RD87-142 , página 2-78.

Este documento tiene más información sobre el cojinete del cardán.

El cojinete de cardán proporciona un medio para unir el motor al vehículo mientras permite que el motor gire (gimballed) alrededor de sus dos ejes. Esto es necesario para orientar el vector de empuje del motor para la dirección del vehículo, a la manera del timón de un barco. El cojinete del cardán está atornillado al vehículo por su brida superior y al motor por su brida inferior. Soporta 7,480 libras de peso del motor y resiste más de 500,000 libras de empuje. Es una junta universal de rótula en la que las superficies esféricas cóncavas y convexas del asiento, el cuerpo y el bloque se entrelazan. El contacto deslizante se produce entre estas superficies a medida que se angula el rodamiento. Los insertos de Fabroid ubicados en las superficies de contacto deslizantes reducen la fricción que se produce durante la angulación del cojinete del cardán. El cojinete, que se instala durante el montaje del motor,

Recorté esta imagen para mostrar el área de la interfaz del motor. ingrese la descripción de la imagen aquíPuede ver el lado del vehículo del cojinete esférico en el centro de la abertura. ¡El patrón de pernos coincide con el dibujo!

Los dispositivos de varilla de empuje verdes son los actuadores de control de vector de empuje, los círculos rojos son cubiertas para los orificios donde se montan las turbobombas de baja presión.

Editar: información sobre la estructura de empuje desde aquí :

La estructura de empuje interna soporta los tres SSME. La sección superior de la estructura de empuje soporta el SSME superior y la sección inferior de la estructura de empuje soporta los dos SSME inferiores. La estructura de empuje interna incluye los SSME, las estructuras de armadura de reacción de carga, los accesorios de la interfaz del motor y la estructura de soporte del actuador. Admite las SSME, las turbobombas de baja presión SSME y las líneas de propulsión. Los dos puntos de conexión de popa del orbitador/tanque externo interactúan con los accesorios de los largueros.

La estructura de empuje interna se compone principalmente de 28 miembros de armadura unidos por difusión y mecanizados. En la unión por difusión, las tiras de titanio se unen bajo calor, presión y tiempo. Esto fusiona las tiras de titanio en una sola masa hueca y homogénea que es más liviana y resistente que una pieza forjada. Al observar la sección transversal de una unión por difusión, no se ve ninguna línea de soldadura. Es un metal base homogéneo, pero compuesto de piezas unidas por enlace por difusión. (En OV-105, la estructura de empuje interna es forjada). En áreas seleccionadas, la construcción de titanio está reforzada con puntales tubulares de boro/epoxi para minimizar el peso y agregar rigidez. Esto redujo el peso en un 21 por ciento, aproximadamente 900 libras.

Finalmente encontré una imagen decente de la estructura de empuje. Es del libro de Dennis Jenkins Space Shuttle, edición de 1992, página 140.

ingrese la descripción de la imagen aquí

¡Vaya que es hermoso! ¿Sabe si hay una transferencia vertical del empuje directamente detrás del cojinete (hacia la nave espacial, hacia la página)? Lo pregunto porque para mi ojo inexperto parece que podría ser algún tipo de montaje de flexión. Por ejemplo justo debajo del rodamiento izquierdo de la foto hay algo que me recuerda a una bisagra .
Actualizado para agregar detalles sobre la estructura de empuje. Todo lo que leí al respecto dice que fue diseñado para la rigidez: lo último que querían era flexibilidad o flexibilidad.
Poco a poco estoy entendiendo la imagen de la página 140: ¿son estos tres puntos los rodamientos en cuestión? i.stack.imgur.com/02OHL.png Si es así, parece que el empuje se transfiere directamente sin ninguna flexión intencional significativa.
Sí, creo que ha identificado correctamente los 3 puntos de montaje.

El proceso de arrancar un motor de cohete está altamente controlado y coreografiado. No arranca de 0 a varias g en un instante. Por lo general, toma uno o dos segundos. La combustión en sí también está muy optimizada para evitar que se acumulen inestabilidades, lo que minimiza la vibración. Aquí hay un video del transbordador espacial donde también encienden cada uno de los 3 motores en un momento ligeramente diferente (no sé si esto es común.

Otra razón final por la que probablemente no tengan amortiguadores es la eficiencia, no hay forma de absorber la fuerza sin una pérdida de eficiencia, generalmente como calor. La misma razón por la que las bicicletas de alto rendimiento no tienen amortiguadores.

¡Estos son puntos interesantes! Solo estoy preguntando sobre las vibraciones durante el vuelo después del despegue, no sobre el arranque del motor. ¡Es un video muy bueno del lanzamiento del transbordador! Excelente tutorial!
Además, piense que la parte sobre la pérdida de eficiencia debe analizarse con más cuidado aquí. En términos generales, los cohetes "van" conservando el impulso lineal. Si cree que un amortiguador reduciría el empuje y la aceleración, tendrá que explicar por qué en realidad reducen significativamente la velocidad de escape . Lo de la bici pasa porque el neumático está en contacto con la tierra, que puede absorber impulso. Los cohetes no "tocan" nada más que su propio escape (una vez fuera de la mayor parte de la atmósfera).
... también, los verdaderos amortiguadores tienden a ser una combinación de almacenamiento y amortiguación, o resortes y amortiguadores (análogos a los elementos reactivos y resistivos (óhmicos) en el caso de los circuitos). Así que hay aún más margen de maniobra para los diseñadores.
"No sé si esto es común" El Saturno V (estrictamente hablando, la primera etapa del SI-C) también hizo eso. Wikipedia afirma que el encendido del motor central ocurrió en T-8.9s, seguido de un par externo en T-8.6s y el otro par en T-8.3s (en realidad, la afirmación es que los pares externos se iniciaron a intervalos de 300 ms) . Esto se hizo para "reducir las cargas estructurales en el cohete". Una vez que las computadoras a bordo confirmaron que los motores tenían el empuje correcto, los mecánicos de sujeción soltaron el impulsor y el despegue se produjo en T-0.

Marshall y los ingenieros norteamericanos idearon tres cambios en la segunda etapa. Instalaron un acumulador de gas helio en la línea LOX del motor central. Este depósito sirvió para amortiguar las oscilaciones de presión del fluido, manteniéndolas desfasadas con las vibraciones de la estructura de empuje y los motores.

Uh, ¿la segunda etapa de qué?

Sí, usan amortiguadores. En este caso se llama "acumulador". El problema surgió durante el lanzamiento del Apolo 6". El "efecto de resonancia" u "oscilaciones pogp" apareció abruptamente durante los primeros 2 minutos de vuelo. El pogo surge fundamentalmente porque tienes fluctuaciones de empuje en los motores. Esas son características normales de los motores. los motores tienen lo que podría llamarse ruido en su salida porque la combustión no es del todo uniforme, por lo que tiene esta fluctuación en el empuje de la primera etapa como una característica normal de todos los motores encendidos.

Ahora, a su vez, el motor se alimenta a través de una tubería que saca el combustible de los tanques y lo alimenta al motor. La longitud de ese tubo es algo así como un tubo de órgano, por lo que tiene una cierta frecuencia de resonancia propia y realmente oscilará como lo hace un tubo de órgano.

La estructura del vehículo se parece mucho a un diapasón, por lo que si lo golpea bien, oscilará hacia arriba y hacia abajo longitudinalmente. En un sentido general, es la interacción entre las diversas frecuencias lo que hace que el vehículo oscile.

https://en.wikipedia.org/wiki/Apolo_6

Los acumuladores no son realmente amortiguadores en el sentido de la pregunta. Alteran las frecuencias de modo de los sistemas de fluidos para que no haya una interacción armónica entre la vibración estructural y el sistema de fluidos que daría como resultado una resonancia, seguida de una falla catastrófica. Realmente no hay amortiguadores en el sentido estructural. La placa de empuje de un motor de cohete está montada de forma rígida en la estructura de empuje, que está diseñada para soportar las cargas impulsivas desde el arranque y la parada.
¿Los motores de cohetes tienen amortiguadores?
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