¿Por qué bajó la altitud del transbordador espacial después de alcanzar los 108 000 m?

Recientemente eché un vistazo a esta pequeña hoja de datos de la NASA: Math and Science @ Work; Ascenso del transbordador espacial

Tiempo Altitud Velocidad Aceleración Comentario
(s) (metro) (EM) (m/s^2)
20 1244 139 18.62
40 5377 298 16.37
… … … …
280 105321 2651 13.92
300 107449 2915 14.90
320 108619 3203 15.97
340 108942 3516 17.15 altitud máxima
360 108543 3860 18.62
380 107690 4216 20.29
400 106539 4630 22.34
420 105142 5092 24.89
440 103775 5612 28.03
460 102807 6184 29.01
480 102552 6760 29.30 aceleración máxima
500 103297 7327 29.01
520 105069 7581 0.10

captura de pantalla original

Nota: Observe en la tabla que la altitud fue negativa en el despegue. La altitud cero se puede describir como una distancia específica desde el centro de la Tierra. Dado que la Tierra no es perfectamente esférica, la ubicación del lanzamiento está por debajo de este punto específico. Además, debido a que se trata de un número calculado, puede haber cierto grado de error.

Como puede ver, a medida que pasa el tiempo, la velocidad y la altitud del cohete aumentaron exponencialmente. [CORRECCIÓN: Estaba confundiendo estos datos con otra cosa. El vel/alt NO sube exponencialmente, ¡perdón por eso!] Sin embargo, ¿por qué la altitud dejó de aumentar después de alcanzar los 108,000 m y luego disminuyó después de eso?

Además, ¿por qué la tasa de aceleración fue inconsistente durante el despegue? ¿Por qué era el más alto cuando la altitud estaba disminuyendo?

Gracias, estoy trabajando en un proyecto relacionado con Rocket Equation y me pregunto si vale la pena mencionarlo en dicho proyecto. :)

La aceleración es inconsistente, porque el empuje es inconsistente. Se moldea el empuje del SRB y se aceleran los motores principales. Junto con los SRB que se agotan en parte.
" ¿Por qué la velocidad básicamente se "detiene" después de alcanzar los 108.000 m ". Sólo la componente vertical de la velocidad. La velocidad total que se muestra en la tercera columna sigue aumentando. La altitud objetivo parece ser de 105 km. Pero, la primera vez que el vehículo golpea ese objetivo, la velocidad total es de solo 2600 m/s. Está muy por debajo de la velocidad requerida de 7200 m/s requerida para permanecer en órbita.
¡Bienvenido a Stack Exchange! Ajusté el formato de su pregunta y arreglé algunas palabras, eche un vistazo y siéntase libre de editar más.
"subir exponencialmente" es tremendamente engañoso e inexacto. La curva es, de hecho, exactamente diferente de "exponencialmente".
Respuesta parcial: a "¿ por qué la tasa de aceleración es inconsistente durante el despegue? ¿Por qué es más alta cuando la altitud está disminuyendo? " la aceleración aumenta a medida que el empuje permanece constante mientras que la masa del vehículo disminuye debido al combustible usado. (el empuje en realidad aumenta un poco a medida que la atmósfera se adelgaza, esto no sería obvio en su conjunto de datos). La caída abrupta en la aceleración a los 2 minutos es cuando el empuje cae enormemente, debido a que los motores sólidos completan su encendido.
what-if.xkcd.com/58 "Llegar al espacio es fácil. El problema es permanecer allí... Para evitar volver a caer en la atmósfera, tienes que ir hacia los lados muy, muy rápido".
"Sin embargo, ¿por qué la altitud dejó de aumentar después de alcanzar los 108.000 m y luego disminuyó después de eso?" - Creo que esto no es poco común con las etapas superiores de bajo TWR de larga duración (por ejemplo, Centaur), donde la primera etapa "lanzaría" la etapa superior por encima de la altitud orbital objetivo para ayudar a que la etapa superior tenga suficiente tiempo para circularizar. Sin embargo, el transbordador espacial no parece tener un TWR particularmente bajo, por lo que no estoy seguro de por qué el perfil de vuelo es el que es en este caso.
Los números de aceleración enumerados se sintieron un poco apagados inicialmente. Si aceleras en 18 metro / s 2 a continuación, después 20 segundos su velocidad sería 360 metro / s , ¿bien? Supongo que la tasa de cambio de (componente vertical de) la velocidad es la cifra indicada menos la gravedad de la Tierra ( 9.81 metro / s 2 )? Suponiendo que al principio la aceleración es más o menos directa. En cierto modo, tiene sentido porque la aceleración enumerada es lo que los astronautas (y la estructura) deben soportar.
La caída de altitud a gran altitud se denominó informalmente "caída", IIRC. La trayectoria se formó de esta manera por razones de optimización del rendimiento (lo que refleja toneladas de análisis y "gran física"). Una pregunta independiente interesante indagaría sobre las razones específicas detrás de dicha "caída".
@AL esa es una mesa mucho más atractiva. Pero con un 31 % más que el original, me pregunto si esa técnica de formato tiene una forma de reducir la cantidad de espacios en blanco verticales por encima y por debajo de los números (que actualmente es 2,6 veces la altura de la fuente).
@PcMan Estoy corregido. Creo que lo confundí con otra cosa que vi... ^^;

Respuestas (4)

La caída en la aceleración alrededor de los 40 segundos en el vuelo es la aceleración del transbordador para reducir la carga aerodinámica en el vehículo. Luego acelera cuando pasa este punto.

La caída en la aceleración a los 2 minutos de vuelo se debe a que los propulsores de cohetes sólidos se están agotando y descartando.

Luego, la aceleración continúa aumentando, ya que el empuje de los motores es constante, pero la masa del vehículo disminuye cada vez más a medida que se consume combustible. La aceleración máxima se debe a la baja masa cuando el tanque está casi vacío y no está relacionada con la altitud.

De hecho, hacia el final del ascenso, el transbordador se está desacelerando a medida que la masa desciende, para mantener la aceleración por debajo de los 30 m/s/s, por razones estructurales.

El cambio de altitud se debe a que el transbordador sobrepasó su altitud inicial, por lo que puede poner todo su empuje en velocidad horizontal después de eso. Entonces, en realidad cae un poco a medida que continúa ardiendo y acelerando horizontalmente, pero eventualmente esta velocidad horizontal hace que ya no caiga (ya que la tierra cae debajo de él a la misma velocidad).

OP está haciendo dos preguntas separadas, y aunque creo que el aspecto de la aceleración está cubierto aquí, el por qué de la pérdida de altitud está mal explicado. Es completamente posible volar un perfil de ascenso que nunca tenga ninguna velocidad de descenso. Sospecho que hay una razón complicada detrás de la elección del perfil, y agradecería más información.
Tiene que ver con la guía PEG para lograr el objetivo de velocidad; se explica en las páginas 4-5 a 4-12 del Libro de ejercicios de guía de ascenso, pero mentiría si dijera que lo entiendo. gandalfddi.z19.web.core.windows.net/Shuttle/…

Por lo que vale, el Saturno V hizo lo mismo al llegar a la órbita de estacionamiento. Diferentes vehículos con diferente propulsión y puesta en escena, pero el resultado es esencialmente el mismo:

Altitud de Saturno V

Fuente: Manual de vuelo de Saturno V. Tenga en cuenta que las etiquetas de los gráficos para los puntos de corte de la segunda (S-II) y la tercera (S-IVB) etapas están incorrectamente intercambiadas. La fuente explica el encendido de la tercera etapa como una inserción en la órbita de estacionamiento de la Tierra:

El primer encendido del S-IVB inserta el vehículo en una altitud de 100 millas náuticas (NMI), casi circular, OPO.

La respuesta de Innovine proporciona una explicación: el vehículo ha superado la altitud deseada, pero necesita ganar velocidad para mantenerse en órbita. Otra forma de verlo es en términos de apogeo y perigeo. El vehículo ha alcanzado la altura máxima (apogeo), pero el perigeo corta el suelo. Es necesaria otra quema para elevar el perigeo a la altitud orbital.

Guía PEG de nuevo.

Miremos los números. La aceleración es alta al principio (¡toda la fuerza!). Cae un poco a los 40 segundos, pero luego aumenta constantemente debido a la pérdida de masa. Entre 100 y 120 segundos, hay una caída repentina en la aceleración. Los dos propulsores principales son expulsados. A partir del valor más bajo, la aceleración aumenta continuamente. De una manera algo lineal. Cuando se alcanza la altitud más alta, el transbordador se mueve horizontalmente, después de lo cual se mueve hacia una órbita más baja. La aceleración está aumentando hacia un máximo de alrededor de 480 segundos. Alrededor de 500 segundos, la fuerza se apaga y el transbordador ha alcanzado una altura de unos 105 kilómetros. Esta altura irá aumentando hasta alcanzar una órbita estable.

Esta respuesta no agrega nada nuevo más allá de la otra respuesta . Una vez que los motores principales se apagan, la órbita no cambia a menos que se realice otra maniobra de propulsión (o golpee la atmósfera).

Para obtener más información, vuelva a mirar el gráfico, verá el gráfico de ascenso frente al empuje y la aceleración: https://gandalfddi.z19.web.core.windows.net/Shuttle/Shuttle_And_Misc_Pictures/ascent.gif Información adicional sobre el transbordador: https://gandalfddi.z19.web.core.windows.net/Shuttle/

Ken, bienvenido al intercambio de pilas espaciales. Puede notar que enlacé un documento de su sitio extremadamente valioso en un comentario sobre la primera respuesta. Los sitios de intercambio de pila son bastante diferentes de la mayoría de los sitios de "foro": hay una gran diferencia entre las respuestas y los comentarios, por un lado. Le sugiero que dedique un tiempo a leer las preguntas y respuestas aquí antes de sumergirse. ¡Su gran cantidad de información sobre el transbordador será una verdadera ventaja aquí!
¿Por qué bajó la altitud del transbordador espacial después de alcanzar los 108 000 m?
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