¿Por qué los cohetes sólidos pueden ser los vehículos de lanzamiento más delgados y esféricos, mientras que los cohetes de combustible líquido tienen un rango más limitado de relaciones de aspecto?

Pregunta: ¿Por qué los cohetes sólidos pueden ser los vehículos de lanzamiento más delgados y esféricos, mientras que los cohetes de combustible líquido tienen un rango más limitado de relaciones de aspecto? ¿Hay principios fundamentales de ingeniería en el trabajo? ¿Física sencilla? ¿O está el diablo en los detalles?

Evidencia del vehículo de lanzamiento de cohetes sólidos "noodlicity":

Esta respuesta a ¿El vehículo de lanzamiento orbital más parecido a un fideo (la relación de aspecto más alta) de todos los tiempos?

fideos de peligro

Explorador X-2

Evidencia de la esfericidad del vehículo de lanzamiento de cohetes sólidos:

¿Cómo se comparan los SRB esféricos con los largos y delgados? ¿Cómo son sus curvas de empuje?

ilustración de un concepto para un Mars Ascent Vehicle de combustible sólido de dos etapas, NASA/MSFC

La primera etapa de este vehículo de lanzamiento a Marte es bastante rechoncha y es tan esférica como una vaca esférica . Fuente: La NASA de Spaceflight Now reduce el diseño del cohete para lanzar muestras desde Marte

Este diagrama ilustra un concepto para un Mars Ascent Vehicle de combustible sólido y dos etapas. Crédito: NASA/MSFC

Contraevidencia: vehículos de lanzamiento de líquidos achaparrados

  • SERV "Vehículo de lanzamiento orbital VTOVL. Propuesta de transbordador alternativo balístico de etapa única a órbita de Chrysler de junio de 1971. Este fue el estudio de diseño más detallado jamás realizado en un vehículo de lanzamiento VTOVL SSTO. El SERV de 2.040 toneladas métricas fue diseñado para entregar una carga útil de 53 toneladas métricas para orbitar en una espaciosa bahía de carga útil de 7 mx 18 m".
  • Módulo Lunar Apolo
Contraejemplo de combustible líquido: astronautix.com/s/serv.html
@OrganicMarble no es realmente un contraejemplo hasta que comparemos las relaciones de aspecto de los vehículos de lanzamiento, pero agregaré una advertencia a mi pregunta. ¡Gracias!
@RussellBorogove ídem
@RussellBorogove SERV fue un concepto de diseño en 1971. El Mars Ascent Vehicle será "enviado a Marte" en una nave. De acuerdo, será una nave espacial y no una nave oceánica, pero será transportada allí de una manera que no tenga impacto en su diseño y lanzada de una manera no relacionada con la forma en que llegó allí.
@RussellBorogove estamos de acuerdo en eso entonces, pero no estoy seguro del punto exactamente. ¿Hay algún problema con la pregunta que necesito abordar aquí, o es solo una idea útil?
@RussellBorogove Dije "no es realmente un contraejemplo hasta que comparemos las relaciones de aspecto de los vehículos de lanzamiento ... Hasta entonces, son potencialmente contraejemplos. Así que en la pregunta los etiqueté como "contraevidencia" en lugar de contraejemplos, allanando el camino por tu excelente respuesta!
(Oh, aquí está el enlace de transporte marítimo que estaba buscando: ¿ Qué ruta de barcaza tomó el Saturn S-II de California a Florida? )
¿Está esto relacionado con los recipientes a presión? Los recipientes que están diseñados para contener contenido presurizado son casi inevitablemente curvos: esfera, cilindro o toro. ¿Quizás los combustibles sólidos permiten una mayor libertad?
Creo que debes considerar cómo se quema el combustible en un cohete sólido. Según tengo entendido (ciertamente no soy un experto), el combustible tiene una forma interna para controlar la velocidad de combustión y, por lo tanto, el empuje. Probablemente sea más fácil hacer esto en un cilindro largo que en una esfera.
El cuerpo sólido del cohete es esencialmente también la cámara de combustión, por lo que debe ser muy fuerte, por lo tanto, una relación de aspecto más grande no es un desafío tan grande en cuanto a la estructura.

Respuestas (1)

El extremo rechoncho del espectro tiene poco que ver con sólidos versus líquidos y todo que ver con la aerodinámica. El tanque esférico es más eficiente en peso, por lo que esperaría etapas en cuclillas en casos donde la aerodinámica no domina, como su Mars Ascent Vehicle (volando donde la resistencia atmosférica es del orden del 1% de lo que es para el ascenso de la Tierra) o el Apolo LM . Dado que un motor de cohete sólido tiene combustible y oxidante mezclados en un solo contenedor, las etapas esféricas no son desconocidas, pero algunas etapas líquidas tienen tanques uno al lado del otro (Apollo LM, Fregat) o incluso anidados (Briz-M) , para un relación de aspecto general más achaparrada que esférica.

En el extremo más delgado del espectro, los cohetes de sonda a menudo comienzan con una mayor relación empuje-peso que los cohetes orbitales, y los sólidos queman masa más rápido que los líquidos (debido a su impulso específico más pobre), por lo que los cohetes de sonda de motor sólido en particular alcanzará velocidades más altas a altitudes más bajas, lo que significa que la compensación entre diseños de aspecto delgado y baja resistencia y diseños de eficiencia de masa de aspecto achaparrado es ligeramente diferente.

Los sólidos probablemente se pueden construir hasta extremos ligeramente más delgados que los líquidos, ya que las carcasas SRM generalmente son más gruesas que los tanques de combustible líquido y el grano de combustible puede proporcionar cierta resistencia estructural.

+1para una respuesta concisa y reflexiva! Los tanques más delgados también tienen más superficie/volumen y, por lo tanto, necesitarán más aislamiento (lo que vuelve a agregar grosor) para los criopropulsores o acumularán hielo/masa de cohetes más rápido, o necesitarán mecanismos de enfriamiento más agresivos para ventanas de lanzamiento largas.
Además, debido a que casi toda la superficie de un cohete sólido es una cámara de combustión, debe ser considerablemente más fuerte que los tanques de un cohete de combustible líquido. Si bien esto es una responsabilidad en términos de masa seca; significa que el cohete en sí es más fuerte y, por lo tanto, más capaz de resistir vientos cruzados diferenciales entre su parte superior e inferior sin romperse.
@DanIsFiddlingByFirelight Creo que puedes dividir eso como una respuesta separada, básicamente los cohetes sólidos son pasta rígida sin cocer, mientras que sus contrapartes de combustible líquido están al dente .
Los misiles aire-aire también suelen ser muy delgados en relación con su longitud. Técnicamente sigue siendo un cohete, apuntando horizontalmente la mayor parte del tiempo. Dado que la única "carga" que llevan además de su propio combustible es una carga explosiva, no hay razón para que sean particularmente gruesos, y todas las razones para mantenerlos delgados para no agregar demasiada resistencia al avión antes de que sean lanzados. .
¿Por qué los cohetes sólidos pueden ser los vehículos de lanzamiento más delgados y esféricos, mientras que los cohetes de combustible líquido tienen un rango más limitado de relaciones de aspecto?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v