¿Por qué los cohetes se separan de sus dos núcleos de refuerzo al mismo tiempo en lugar de uno a la vez? (Delta IV Pesado, Halcón Pesado, Angara)

La idea básica de los cohetes por etapas es deshacerse de la masa de tanques vacíos, etc., tan pronto como sea posible durante el lanzamiento, ¿no es así? Por lo tanto, lo ideal sería dejarlos caer uno a la vez tan pronto como se vacíen.

AFAIK, Delta IV Heavy lo hace, y Falcon Heavy y Angara están planeados para dejar caer sus núcleos laterales de refuerzo comunes a la vez (con Angara planeando hasta 6 correas en núcleos comunes, no sé si dejarán caer 2 a la vez o los 6 a la vez). Pero, ¿por qué no dejar caer solo uno a la vez?

Un argumento a favor de la separación simultánea podría ser mantener la simetría y la estabilidad. Pero al menos ingenuamente, si el cohete gira 90 grados para que los tres núcleos estén uno encima del otro, entonces quitar uno de ellos no debería crear ninguna asimetría.

Además, mientras SpaceX planea reutilizar sus propulsores, Delta IV Heavy no lo hace. SpaceX necesita refuerzos en sus núcleos laterales para aterrizarlos suavemente. Pero, ¿por qué Delta IV Heavy tiene motores de cohetes en sus núcleos laterales? Motores que se caen cuando queda combustible en el núcleo central. ¿Por qué no fijar todos los motores de cohetes al núcleo central y simplemente usar tanques de caída en el lateral?

Para Atlas V, Ariane 5, Proton, SLS, el peso vacío de los propulsores laterales más pequeños puede ser demasiado pequeño como para preocuparse demasiado. Pero debe ser muy diferente con los cohetes que usan 3 o más núcleos de tamaño similar en un paquete.

Si los 3 propulsores de Delta IV Heavy se agotan simultáneamente, entonces los tres deberían separarse simultáneamente. Pero el del centro sigue ardiendo durante un tiempo. No es una primera etapa de tres núcleos, es 2+1 una primera/segunda etapa. Además, leí en el sitio web de SpaceX spacex.com/falcon-heavy que el Falcon Heavy tendrá un "SISTEMA DE ALIMENTACIÓN CRUZADA DE PROPELENTE... donde el propulsor se alimenta desde los impulsores laterales hasta el núcleo central para que el núcleo central retenga una cantidad significativa de combustible después de que los propulsores se separan" Pero si es así, ¿por qué no se vacían y sueltan solo uno a la vez?
¿Qué quieres decir con "gira 90 grados"? ¿Estás hablando literalmente de tener el cohete apuntando hacia los lados, o quieres decir "poner los propulsores uno encima del otro y usar solo uno a la vez"? Porque el segundo de ellos es solo una puesta en escena en serie normal; lo primero daría como resultado disparar un cohete contra otro cohete o que toda la nave se desplace hacia los lados.
@LocalFluff: Al final, SpaceX abandonó su idea original de un sistema de alimentación cruzada porque habría sido demasiado complejo y ya no sería necesario debido al empuje mejorado de los motores Merlin. Creo que aceleran el impulsor central para que dure más que los impulsores laterales.

Respuestas (4)

Su suposición de que rotar el cohete elimina la asimetría es incorrecta.
El empuje total del cohete se puede visualizar como un vector. Este vector debe apuntar al centro de gravedad del cohete. Si no es así, el empuje cambiará la dirección del cohete. Es fácil ver que un cohete con 1 propulsor no tendrá su vector de empuje apuntando a su centro de gravedad.

Editar: si gira el cohete como lo describe, el cambio de dirección será "arriba" o "abajo". De cualquier manera, el cohete intentará volar en círculos. La aceleración no ayudará a mantener el rumbo del cohete, a menos que acelere los motores de refuerzo a 0, y entonces, ¿por qué molestarse en mantener el impulsor?
Como dice @TildalWave en los comentarios, es posible que pueda compensar girando los motores, pero luego pierde algo de rendimiento.

El cuerpo del cohete debe estar alineado con su vector de velocidad en todo momento. Si se desalinea (es decir, gira o se desliza lateralmente), la resistencia aumenta enormemente y el cohete corre el riesgo de romperse. Si suelta un propulsor, obtiene empuje y arrastre asimétricos, los cuales intentarán girar el cohete. Tendrías que cronometrar tu boquilla girando perfectamente para sobrevivir. Dejar caer ambos propulsores es una maniobra mucho más sencilla y menos arriesgada: solo tienes que asegurarte de que las cargas de separación disparen simultáneamente.

Podría valer la pena tener en cuenta que el CoG de un cohete cambia.
Estrictamente técnicamente, los motores estrangulables o cardánicos podrían compensar un cambio de CoG lateral de unos pocos metros con vectorización de empuje a expensas de un rendimiento ligeramente más bajo, una posible vibración más alta (los escapes podrían cruzarse dando como resultado una onda de choque que se propaga hacia atrás) y un tiempo de reacción algo más largo y /o rango de control de actitud disminuido. El mayor problema con tal configuración sería una relación T/W inferior a la óptima, si los núcleos se agotan en serie en lugar de en paralelo. Hasta el punto de que ni siquiera podría despegar con un núcleo de refuerzo como peso muerto hasta que el otro se queme.
En el caso de Arriba (después de haber dejado caer el refuerzo superior), el vector apuntaría hacia arriba desde la gravedad de la Tierra. Uno acelera los motores para mantener constante la velocidad de ascenso. ¿Por qué ese caso sería inestable?
Una discusión sobre el atlas v de un refuerzo podría ser un contexto interesante para los gimbals que compensan los motores centrales.

Considere la cantidad de empuje que proporcionan los diversos propulsores laterales citados:

Falcon 9 Heavy: 9 Merlin 1D a 155 Klbs cada uno = 1,4 Mlbs de empuje
Delta 4 Heavy: 1 RS-68 ~ 600 Klbs de empuje
Araine 5: P230 sólido 1,45 Mlbs de empuje
Angara: RD-191 en un URM ~432 KLbs de empuje

Estos no son números menores (conceder mi punto es menos válido en Angara y D4-H)

Si genera una inestabilidad de empuje de 1,4 millones de libras en cualquier cosa, no va a terminar bien.

Sin embargo, dado que los impulsores laterales emparejados generalmente se encienden al mismo tiempo, se queman a la misma velocidad y usan componentes idénticos, se queman al mismo tiempo.

El núcleo puede reducirse (D-4H y probablemente Angara en el futuro, solo un único modelo URM ha lanzado suborbital hasta ahora) o usar alimentación cruzada (F9-H tal vez) en el caso de módulos de núcleo idénticos. Puede ser una configuración completamente diferente (Ariane 5, motor principal Vulcain vs sólidos) cuando el núcleo central y los strapons son totalmente diferentes.

Uno de los modelos Atlas con muchas correas sólidas GEM más pequeñas encendería en el aire algunas de las correas una vez que alcanzaran una cierta velocidad/altitud y hubieran dejado caer otras para obtener beneficios de rendimiento.

Una segunda pregunta que hizo fue, ¿por qué motores en los núcleos laterales? Esa es una especie de pregunta de por qué todo no es como Proton. Parece que Proton tiene un núcleo central y un montón de correas más pequeñas, pero las correas tienen motores que usan combustible del núcleo central. Y no se separan.

En el caso de F-9H y D-4H, llevar todos esos motores adicionales a la órbita sería una gran penalización de peso, derrotando la marsopa de la puesta en escena. Los núcleos laterales adicionales no son tanto como una etapa 1 más grande, sino que son una etapa 1 (núcleos laterales) y una etapa 1+ o 2 (núcleo central).

El Atlas original hizo lo contrario. Tenía tres motores y dejaría caer los dos motores laterales como montaje, pero mantendría el tanque compartido (tanques Ballon, muy livianos).

Solo para aclarar la declaración sobre el propulsor de protones ruso: el núcleo central no tiene motores, sino solo tanques para los combustibles hipergólicos. Los 6 motores están en los "correos" fuera de borda (que no se separan).

Todos los cohetes deben mantener el centro de empuje (Ct) por debajo del centro de masa (Cm).

Supongamos por el momento una pila de cohetes de 2 refuerzos; el cohete y los propulsores producen un empuje de 500 toneladas de empuje. el refuerzo izquierdo está a 3 m de la línea central y el derecho también a 3 m de la línea central. El centro de empuje se puede calcular multiplicando el empuje por la distancia desde la línea central de cada propulsor (obteniendo el momento de empuje) y luego dividiéndolo por el empuje total del sistema.

Del mismo modo, el centro de masa se puede calcular multiplicando la masa por la distancia desde la línea central de referencia y luego dividiéndola por la masa total. Supongamos que cada refuerzo tiene una masa de 50T, al igual que la primera etapa, y la etapa superior es de 25T y la carga útil de 25T.

(Se supone que todos los pilotos de aviones deben hacer cálculos similares para la carga antes del despegue...)

Caso 1: los tres van.
Booster izquierdo 500TT @ -3m, momento -1500
Booster derecho 500TT @ +3m, momento +1500
etapa 1: 500TT @ 0m, momento 0
Momento total 0
centro de empuje 0 (= Momento/ThrustTotal = 0/1500)

Centro de masa, caso 1
LB 50T x -3m momento=-150
RB 50T x +3m momento=+150
S1 50T x 0m momento=0
S2 25T x 0m momento=0
PL 25T x 0m momento=0
Momento total = 0 ( =150-150+0+0+0) Centro de masa = 0 (= Momento/MasaTotal = 0/200)

Caso 2: Solo la izquierda va, la derecha cae
Impulsor izquierdo 500TT a -3 m, momento -1500
Etapa 1: 500TT a 0 m, momento 0
Momento total -1500
Centro de empuje -1,5 m (= Momento/Empuje total = -1500/1000)

Centro de masa, caso 1
LB 50T x -3m momento=-150
S1 50T x 0m momento=0
S2 25T x 0m momento=0
PL 25T x 0m momento=0
Momento total = -150 (=-150+0+0+ 0) Centro de masa = -1 (= Momento/MasaTotal = -150/150)

Tenga en cuenta que en el caso 2, Ct y Cm no coinciden; esto forzará un giro a la derecha, ya que el centro de empuje está a la izquierda del centro de masa. (La velocidad real de giro estará determinada por la distancia hacia ARRIBA de la pila que esté el centro de masa. Estos cálculos se pueden hacer en 3D).

Pero, ¿y si el cohete gira 90 grados para que tengamos impulsores superior e inferior en lugar de izquierda y derecha? El momento después de haber dejado caer el impulsor Inferior manteniendo el impulsor Superior, debe ser en la misma dirección que la gravedad contra la que ya lucha el cohete.
@LocalFluff: Entonces tu cohete apunta en la dirección equivocada. (También sigue desequilibrado, por lo que ahora tiene dos problemas).

[P]or qué Delta IV Heavy tiene motores de cohetes en sus núcleos laterales? Motores que se caen cuando queda combustible en el núcleo central. ¿Por qué no fijar todos los motores de cohetes al núcleo central y simplemente usar tanques de caída en el lateral?

La mayoría de los cohetes tienen una relación de masa entre 10 y 20. Una relación de masa de 10 significa que un cohete de 100 toneladas pesará solo 10 toneladas cuando se queme todo el propulsor del cohete. Si el empuje en el despegue es de 200 toneladas, la aceleración en el despegue es de 2G. En el agotamiento, la aceleración será de 20G. 20G es excesivo.

Entonces, como puede ver, no necesita mantener todos los motores durante todo el proceso. El primer cohete Atlas hizo exactamente esto, dejó caer 2 de los 3 motores con los que se lanzó y pudo proceder a la órbita con el único motor restante.

"Al agotarse, la aceleración será de 20G", a menos que haga algo como, no sé, reducir la velocidad ...
Entonces estarías cargando un peso que no necesitas cargar. Los buenos científicos espaciales no hacen eso.
No seguir...
Llevar tres motores es un peso que no necesita si solo necesita un motor.
¿Por qué los cohetes se separan de sus dos núcleos de refuerzo al mismo tiempo en lugar de uno a la vez? (Delta IV Pesado, Halcón Pesado, Angara)
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