¿Por qué las etapas no están conectadas por la boquilla del motor? ¿Por qué se utilizan interetapas?

Primero, una aclaración: entiendo las razones aerodinámicas por las que se utilizan interetapas, y entiendo que las ondas de choque que se generarían sin una interetapa destrozarían el cohete. Mi pregunta es si hay razones no aerodinámicas por las que se requiere una interetapa.

Mis pensamientos contradictorios:

  1. La(s) campana(s) del motor ya soportan toda la tensión de compresión generada por el peso de las etapas por encima de ella cuando el motor está encendido, y lo hace de manera controlada; los cardanes no dejan de mantener la etapa de encendido apuntando hacia el dirección correcta.

  2. Sin embargo, las Gs de quemado de la etapa superior pueden ser menores que las de la etapa inferior, por lo que la boquilla no soportará tanto peso como debe soportar la entre etapas.

  3. Además, las fuerzas aerodinámicas pueden causar que la tensión de compresión sobre la etapa intermedia exceda la que la boquilla puede soportar en una atmósfera baja.

  4. Sin embargo, max-Q suele estar mucho antes del agotamiento, por lo que el estrés total, incluso teniendo en cuenta la resistencia, es probablemente aún menor de lo que sería en max-Gs.

  5. Reemplazar las interetapas que soportan carga por otras mucho más delgadas que sirven solo como una superficie aerodinámica ahorraría mucha masa.

  6. O incluso permitir que la campana de la boquilla tome parte de la carga parece que le permitiría ahorrar mucha masa.

  7. Pero claramente aún no se ha hecho (creo, pregunta relacionada aquí ), por lo que hay una razón de "clavo en el ataúd" por la que las etapas intermedias deben soportar completamente la carga.

Finalmente a la pregunta: ¿ Por qué las boquillas no se usan para soportar el estrés de acelerar las etapas superiores? ¿Por qué se utilizan interetapas (obligatorias?)?

¿Estoy malinterpretando las tensiones involucradas? ¿Difieren sustancialmente las tensiones durante el encendido del motor de las que se soportan cuando se acelera en las siguientes etapas? ¿O es un problema ortogonal a las tensiones del lanzamiento, tal vez sea la dificultad de diseñar una boquilla efectiva que pueda desacoplarse de manera confiable de la etapa debajo de ella?

Si la estructura de la boquilla se mejora para soportar la tensión de acelerar las etapas superiores, el peso adicional se suma a la etapa superior después de la separación. Pero el peso adicional de una etapa intermedia que soporta carga no se suma a la etapa superior después de la separación.
Gran punto, no lo había considerado.
La boquilla es muy débil alrededor de los bordes. También desea que su estructura de soporte esté alrededor del exterior para que tenga una mejor resistencia a la flexión.
Para contrarrestar el segundo ejemplo: un jet RCS no está disparando a través del centro de masa, e incluso si lo fuera, solo está acelerando el Orbiter a una pequeña fracción de G. Eso no es mucho peso para soportar.
Una etapa intermedia aerodinámicamente limpia es común, pero no necesaria: spaceinfo.jaxa.jp/ja/m3s2.html

Respuestas (3)

La respuesta es un poco más matizada de lo que presenta Organic Marble. Tiene sentido hacer un balance de fuerza para ver qué partes del motor pueden tomar qué cantidad de fuerza.

Primero, echemos un vistazo a la cámara. Tiene una presión estática. pag 1 que está equilibrado en todas partes por las paredes, excepto en la garganta donde hay un gran desnivel. Esto resulta en una fuerza neta de magnitud pag 1 A t h r o a t . Ingresé algunos valores del motor del cohete Raptor y descubrí que esta contribución es aproximadamente la mitad del empuje total.

La otra mitad es luego creada por la boquilla/campana divergente. Nuevamente, por equilibrio de fuerzas, esto significa que justo después de la garganta, hay una "fuerza de compresión" igual a alrededor de la mitad del empuje total. Entonces uno podría pensar que al menos puede soportar la mitad del peso del cohete en la campana del motor. Sin embargo, encontramos que el caso de carga de disparar el cohete y simplemente 'pararse' en la campana es diferente. En caso de disparar el cohete, esta 'fuerza de compresión' se debe a una carga distribuida de la presión de la boquilla, mientras que un cohete 'parado' tiene toda la fuerza concentrada en el borde de la boquilla. Esto significa que en el primer caso, el extremo de la campana casi solo experimenta tensión circunferencial y no tensión axial, mientras que en el último caso, la campana está sometida a una tensión axial en todas partes.

Entonces, por esas dos razones (la campana solo lleva la mitad del empuje y la caja de carga es diferente), la boquilla necesitaría refuerzo y, lo que es peor, después de la puesta en escena no se desprende esta masa estructural adicional.

Un problema final es que la etapa intermedia tiene más funciones que llevar el peso de la etapa superior de aceleración. Además de la fuerza, también proporciona rigidez contra el cohete que se 'dobla' como una ramita. La rigidez a la flexión crece cuadráticamente con el diámetro (para un espesor de pared constante), por lo que tiene sentido crear esta rigidez en el perímetro exterior en lugar de en la garganta del cohete o en el mecanismo cardán.

Hay un malentendido en tu pregunta.

"La(s) campana(s) del motor ya soportan toda la tensión de compresión generada por el peso de las etapas por encima de ella cuando el motor está encendido..."

No, las campanas del motor no.

ingrese la descripción de la imagen aquí

( Sutton, 7ª edición, Capítulo 2.2 )

Las campanas soportan principalmente las fuerzas de presión diferencial de los gases que fluyen a través de ellas. Tenga en cuenta que estas fuerzas son en gran medida en la dirección transversal, por lo que la "fuerza circunferencial" es la principal consideración estructural para las boquillas. (Por supuesto, se requiere una cierta cantidad de fuerza longitudinal para evitar que las boquillas se caigan y para resistir los pequeños componentes de la fuerza de presión longitudinal que actúan sobre ellas).

La parte superior de la cámara de combustión es donde se transmite la mayor parte de la fuerza al vehículo, generalmente a través de un accesorio de cardán.

ingrese la descripción de la imagen aquí

( fuente de la imagen )

Por lo tanto, se necesita la interetapa para soportar las cargas estructurales porque las toberas del motor no pueden. Las boquillas que son lo suficientemente robustas para manejar las cargas longitudinales tendrían graves problemas de transferencia de calor y complicarían el diseño del sistema de control del vector de empuje.

¡Gracias! Eso tiene mucho más sentido. Si inserta una varilla acampanada a través de la boquilla y dentro de la cámara, donde descansaría en toda la cara del inyector (no muy bueno para los inyectores), ¿soportaría el peso de las etapas por encima sin problemas?
Creo que eso es más o menos lo que hace el empujador de separación de escenarios de SpaceX, excepto que empuja la garganta.
Otro seguimiento sería: que tal si sellamos la campana y la presurizamos con helio...

Es importante en la separación de etapas eliminar todo el peso posible de la etapa superior. El peso entre etapas no cuenta después de la separación, pero sí cualquier mejora de la boquilla del motor de la etapa superior.

El peso entre etapas es pequeño en comparación con el peso de las etapas superiores, pero es pequeño en comparación con el peso de las etapas inferiores.

Por supuesto, el extremo inferior de la boquilla soporta solo una cantidad muy pequeña del peso de las etapas, como escribieron las otras respuestas. Por lo tanto, se agregaría mucho peso adicional a la boquilla. El peso agregado a la boquilla sería el peso muerto justo después de la separación.

¿Por qué las etapas no están conectadas por la boquilla del motor? ¿Por qué se utilizan interetapas?
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